1. No category

i Forord
Jeg elsker å bygge ting. Hver sommer så bygger jeg et eller annet, hvis ikke så kjeder jeg meg. Når det
ble en åpning for en praktisk bacheloroppgave der jeg faktisk kunne få være del av hele prosessen fra
ide til produkt ble jeg meget interessert. Jeg har storkost meg med arbeidet med selve oppgaven,
slitt meg halvt i hjel for å prøve å få tak i delen til maskinen, og jeg ville gjort alt sammen om igjen
hvis jeg hadde fått valget.
Med meg på denne ferden så har jeg hatt gode hjelpere. Først og fremst så vil jeg takke Sjefsingeniør
Ingunn Cecilie Oddsen som gitt uvurderlig hjelp i forhold til innkjøp av deler og administrasjon av
oppgaven. Hennes glødene engasjement har vært inspirerende de dagene jeg brukte på å løpe fra
kontor til kontor på universitetet for å finne ut hvem som egentlig bestemte hva osv. Tusen takk skal
du ha.
Min veileder Dr. Hirpa Lemu som jeg burde ha plagd mye mer med mine spørsmål gjennom arbeidet
med oppgaven. Han har gitt gode svar når jeg har komt med spørsmål og tatt seg tid til å se ting fra
mitt ståsted for å forstå problemstillinger i oppgaven osv. Det at han sa ja til å veilede en så sprø
oppgave som dette er jeg også meget takknemlig for. Mange ville bare ristet på hodet eller blitt
redde for at det skulle bli mye arbeid for dem å ha en student med denne typen oppgave. Jeg takken
for denne sjansen og tillitten jeg har blitt tildelt ved å få skrive denne oppgaven, og håper jeg har
gjort meg tillitten verdig.
Det hadde fort blitt stopp helt i starten av ideen til dette prosjektet hvis ikke Sjefsingeniør John
Grønli hadde lovet penger til prosjektet høsten 2013. Takk for tilliten, jeg setter stor pris på det.
Hele dette sprø eventyret startet med Dr. Jan Kåre Bording som jobbet som Sjefsingeniør ved
Universitetet i Stavanger i fjor. Det var i samtaler med han at ideen om at universitetet trengte en
CNC-plasmakutter kom frem, og ikke minst at det kanskje skulle la seg gjøre å lage en bachelor
oppgave ut av det. Dr. Bording er en inspirerende person som skaper aktivitet rundt seg. Hadde det
ikke vært for at han valgte å ta skritte videre fra ide og våge å foreslå at det kunne gjøres
bacheloroppgave av CNC-maskinen så hadde det ikke blitt noe. Han har også vært til stor hjelp med å
delta på veiledermøte med Dr. Lemu for å overbevise han om at det var verdt å satse på denne
oppgaven. Tusen takk for all støtte, hjelp og motivasjon.
Jeg vil takke kjæresten min som har forstått at jeg er en relativt opptatt person når jeg holder på med
en slik oppgave
i
ii Innhold
i
Forord........................................................................................................................................ i
ii
Innhold ......................................................................................................................................ii
1
Introduksjon ............................................................................................................................. 1
1.1
Bakgrunn
5
1.2
Begrensninger og rammer
5
1.2.1
Oppgavebeskrivelse
5
1.2.2
Økonomi
6
1.2.3
Mekanisk
6
1.2.4
Elektrisk
7
1.3
Begrunnelser
7
1.4
Rapport struktur
8
1.5
Ordforklaring
9
2
2.1
Elektrisk .................................................................................................................................. 10
Programvare
10
2.1.1
Styring av maskinen
10
2.1.2
G-kode generator
11
2.2
Elektriske og elektroniske komponenter
12
2.2.1
Styringskort og motordrivere
12
2.2.2
Strømforsyning
13
2.2.3
Motorer
14
2.2.4
THC
18
2.2.5
Endestopp brytere
19
2.3
Kabler, ledninger, og utfordringer rundt dem
20
2.3.1
Kablene
21
2.3.2
Kabelkjede
22
2.3.3
EM støy
24
3
3.1
Design, oppbygning, og løsninger .......................................................................................... 27
Generelt
27
3.1.1
Modulær oppbygning
27
3.1.2
Senarioer for utregning og maskinposisjoner
29
3.1.3
Galvanisk korrosjon
31
3.2
3.2.1
Rammen
Overordnet design av rammen
32
32
ii
3.2.2
Valg av materiale til ramme
34
3.2.3
Valg av profil dimensjon til rammen
35
3.2.4
y-vogn, z-aksen, og verktøyfestet
36
3.2.5
y-aksen
44
3.2.6
x-aksen
49
3.2.7
Endefeste x-akse til skjærebord
53
3.2.8
Midtfeste x-akse til skjærebord
58
3.2.9
Feste x-akse til y-akse
60
3.4
Lineære føringer og bevegelse
61
3.4.1
Lineære føringer
61
3.4.2
Lineær bevegelse
64
4
Diskusjon av resultater .......................................................................................................... 66
4.1
Defleksjon
66
4.1.1
x-retning
67
4.1.2
y-retning
68
4.1.3
z-retning
69
4.1.4
Felles ikke medregnede faktorer
69
4.2
Maskinens spesifikasjoner
70
4.2.1
Arbeidsområde
70
4.2.2
Bevegelse
71
4.2.3
Styringssystemet¨
72
4.2.4
Oppsummering av maskinen
73
5
Konklusjon.............................................................................................................................. 74
7
Kilder ...................................................................................................................................... 76
Vedlegg 1
1 Matlab funksjoner og skript
1
2 Solid Edge filer
1
3 Brukermanual THC-enhet Proma
1
4 Brukermanual G540 GeckoDrive
1
iii
1 Introduksjon
Naturen er «lat». Vann renner nedover og de fleste levende ting forsøker å gjøre ting så enkelt som
mulig for seg selv. Mennesker er også sånn. Opp i gjennom tidene så har vi sett dette gjennom
utviklingen av verktøy for å gjøre hverdagen lettere (Wikipedia contributors, 2014). Etterhvert som vi
slo oss ned og begynte med jordbruk brukte man dyr til å dra ploger og temte elvene til å male
kornet eller sage tømmer (Wikipedia contributors, 2014). Vi fant en måte å gjøre varme om til
bevegelse gjennom dampmaskinen, og temte eksplosjoner i forbrenningsmotorer (Wikipediabrukere, 2013). Elektrisiteten kom på banen og med den kom elektromotoren som brakte motorer
inn i alle sine hjem. Elektromotoren revolusjonerte også industrien siden hver maskin nå kunne få sin
enkelte motor og ikke var avhengig av avanserte driv og transmisjonssystemer (Wikipedia
contributors, 2014).
Figur 1 Utvikling av verktøy, styring og maskiner gjennom historien Kilder fra venstre: (Álvarez, 2007), (Anon., u.d.),
(Junge, u.d.), (Tenderlok, 2012), og (Waard, 2011)
Underveis med utviklingen av motorer gikk arbeidet med å få maskinene til å kunne automatisere
arbeidet. Enkle aritmetikk ble for eksempel forsøkt automatisert allerede i 1623 og ble først en
kommersiell suksess i 1851 (Wikipedia contributors, 2014). De første «closed-loop»
styringssystemene, altså der en måling av det maskinen produserer eller gjør blir brukt til å styre den,
kom på midten av det 18. århundre for å regulere vinkelen på bladene til vindmøller som igjen
regulerte rotasjonshastigheten. Senere kom det også slike systemer til andre maskiner, for eksempel
dampmaskinen. Sentrifugalregulatoren er et eksempel på det, se det midterste bildet i Figur 1. I 1785
ble den første industrielle prosessen helautomatisert da Oliver Evans automatiserte mel mølle. Etter
dette ble mer og mer enkle prosesser automatisert. Felles for dem alle var at de var repetitive eller
konstante prosesser. Hvis man bare skulle produsere et mindre antall av et produkt så blir derimot
justeringen av maskinen veldig avansert, eller så må man bygge en helt ny maskin. På midten av det
20. århundre kom NC «numerical controlled» maskinene (Wikipedia contributors , 2014). Disse
brukte hullkort eller hullbånd som man kunne bytte ut for å for eksempel få forskjellige mønstre på
en genser i en strikkemaskin (Wikipedia contributors, 2013). Med utviklingen av datamaskinen så tok
det ikke lang tid før man brukte dem til å kontrollere maskinene, og her kommer vi til den type
maskin som denne rapporten handler om, CNC «computer numerical control»
1
Med CNC styring så er maskinen styrt elektronisk. En datamaskin bestemmer for eksempel
bevegelsen til skjæreverktøyet på en dreiebenk, rotasjonshastigheten til en fres, varmen til hotenden
på en 3D-printer, osv. Datamaskinen styrer produksjonsmaskinen ved hjelp av innebygde rutiner for
hva maskinen skal gjøre og via kommandoer gitt til den via g-kode, se avsnitt neste side. CNC er ikke
en type maskin, det er selve styringen, og den kan brukes på de fleste typer produksjonsmaskineri.
CNC er heller ikke navnet på en bestemt produsent sin styring men en samlebetegnelse på en måte å
styre maskiner på. Eksempler på maskiner som bruker CNC styring er freser, dreiemaskiner, 3Dprintere; plasma-, laser-, og vann-kuttere, og maskiner som produserer data prosessorer. De enkleste
CNC maskinene er for eksempel en fres der x, y, og z aksen er CNC kontrollert, se Figur 2. Verktøyet
på denne maskinen må byttes manuelt og selve fresen må også skrus på manuelt og turtallet stilles
inn. De mest kompliserte maskinene er såkalte maskineringssentre som kan frese, dreie, borre, og
lage gjenger (Tooling University, 2014). Maskineringssentrene har også det som kan ses på som en
verktøykasse med forskjellige verktøy den kan bruke og bytte mellom selv, uten menneskelig hjelp.
Dermed er ikke maskinen begrenset til bruken av for eksempel bare en fres, men kan bytte mellom
ulike freser, bor, dreiestål og gjengetapper alt etter hva den skal produsere. CNC-maskinen som skal
designes i denne rapporten er relativt enkel og styrer bevegelsen i 3 akser(se forklaring andre avsnitt
på neste side), skrur verktøyet av og på, har endestopp(se kapittel 2.2.5 Endestopp brytere) i alle
ender, og en høydekontroller(se kapittel 2.2.4 )
Figur 2 Forskjellige CNC maskiner. Sett fra venstre: CNC-fres (CNC Masters, u.d.), CNC-dreiemaskin (Sunzhou Sunda
Machine Tools CO., LTD., u.d.), og 3D-printer (Makerbot, u.d.)
I dag er det pga. CNC maskiner blitt mulig å gjøre avstanden fra idee til ferdig produkt kortere enn
den var før. Arbeidsgangen i fra ide til produkt kan i dag være som illustrert i Figur 3. Ved bruk av
CAD «computer assisted drawing» så tegnes komponent på pc-en. CAD er 2D eller 3D tegneprogram
på pc-en som for eksempel SolidEdge™, Autodesk Inventor™, eller SketchUp™. I noen CAD
programmer så kan man simulere belastninger på komponenten sånn at den oppfyller kravene som
er satt til en. Etter at den er tegnet ferdig så bruker man et nytt program for å produsere G-koden
sånn at maskinen kan produsere komponenten. Så sendes koden til maskinen og den produserer
komponenten. Til slutt så sitter man igjen med en fysisk komponent og kan så vurdere designet og
eventuelt endre på det eller G-koden som brukes for å produsere komponenten.
Figur 3 Eksempel på design og produksjonsprosess ab en komponent ved hjelp av CAD og 3D printing
2
G-kode, M-kode, eller maskinkode er en type programmerings språk som CNC maskinen bruker som
oppskrift for det den skal gjøre. G-kode kan sammenlignes med en bakeoppskrift der man får steg for
steg beskrivelser av hva man skal gjøre. Oppskriften for sukkerbrød og grovbrød er ikke lik, men du
begynner gjerne med å skru på ovnen i begge tilfeller. G-koden begynner også ofte med en del
standard ting som for eksempel å be maskinen finne ut hvor verktøyet befinner seg i forhold til
arbeidsstykket, eller skru på kjøling av verktøy. Bakeoppskrifter er nedskrevet i kokebøker, på ark, og
finnes også på internett. G-kode lagres som elektroniske filer og kan i utgangspunktet leses og tolkes
hvis man vet hva de ulike kodene står for. De ulike kodene har også litt varierende betydning fra
maskin til maskin. Generelt så pleier kodene som begynner med bokstaven G å bestemme bevegelse,
og de med M å være maskin spesifikke kommandoer.
Figur 4 Utdrag av g-kode til en 3D-printer
Vi kan bruke Figur 4 som er et utdrag av en G-kode fil som er ment for en 3D-printer, som et
eksempel. Maskinen leser koden som vi, linje for linje, og starter med G21. Det forteller
programvaren på maskinen at det er millimeter som er enheten for distanse i denne G-kode filen. Så
kommer M107, som forteller maskinen at den skal skru av en vifte den har. Så kommer en rekke
M104, M109, M140, og M190 kommandoer som varmer opp deler av maskinen (Reprap
contributors, 2014). Bokstaven S som står bak kommandoene forteller hvor varm delen skal bli i
celsius. S180 = 180 C°. Sånn fortsetter filen nedover med ulike kommandoer. Noen maskiner kan
bruke flere filer for å produsere en del. For å forenkle bildet noe for dem som ikke har forkunnskaper
om CNC styring fra tidligere så antar vi i denne rapporten at en produsert del ikke trenger mer enn en
fil med G-kode for å produseres.
3
CNC-maskinen som denne rapporten omhandler er en 3 akset (x,y,z) maskin. Aksene tilsvarer de i det
kartesiske koordinatsystemet. I Figur 5 vises aksene sin orientering på CNC-plasmakuteren. Med
disse 3 aksene så kan verktøyet til maskinen nå alle punktene innenfor arbeidsområdet til maskinen.
Denne maskinen kan, hvis det blir festet et bor på den, borre hull som går rett opp og ned. Hull som
går i z-retning. Men hva hvis det er nødvendig å borre et hull som går på skrå? Da bruker man en
maskin med 4 eller flere akser. Denne innledningen til hva en CNC-maskin er, har allerede blitt
ganske lang, så prinsippet med flere akser vil ikke bli forklart. Men en måte å lage en 5 akset fres på,
kan sammenlignes med å sette en hånd som kan rotere rundt seg selv i verktøyfestet. I hånden
plasserer du en batteridrill med et bor i, og den kan da borre hull i alle vinkler.
Figur 5 Aksene på CNC-plasmakutteren
Så hvorfor en CNC-maskin, hva skal universitetet med den, og hvorfor akkurat en 3 akset maskin?
Universitetet trenger et laboratorium der elevene i sine ingeniørfag kan arbeide med praktiske
oppgaver. Dette siden praktisk erfaring med produksjonsprosesser er uvurderlig når det kommer til
forståelse av hvordan man kan designe en komponent produksjonsvennlig. En 3 akset CNCplasmakutte og fres er ikke så avansert i bruk og kan by på en godt første møte med CNC maskiner.
Universitetet driver også med forskning og utvikling og trenger da også maskiner som kan produsere
delene det forskes på. Med mer bruk av CNC-maskiner så kunne det vært spart enorme mengder
arbeidstimer som går med til manuell produksjon av kompliserte deler. Tersklene for å sette i gang
med et prosjekt vil også være mye lavere hvis man har effektivt produksjonsutstyr tilgjengelig. En 3
akset CNC-plasmakutter er relativt lett og bygge og dimensjonere sammenlignet med andre maskiner
som universitetet kunne ha bruk for. Det er i tillegg mulig å feste en rekke andre verktøy på den, og
videreutvikle maskinen. Dette gjør at universitetet nå gjør en investering i en maskin, som vil kunne
gi avkastning både som produksjonsmaskin, og som forskningsobjekt i fremtiden.
4
1.1 Bakgrunn
På slutten av vårsemesteret 2013, etter eksamen, bygde oppgaveskriver en 3D-printer (FDM™ type)
FMD står for «Fused deposit moddeling» som er en additiv produksjonsprosess der man legger på lag
på lag med et materiale for å produsere en fysisk gjenstand. Oppgaveskriver kom i snakk Jan Kåre
Bording, da Sjefingeniør på IKM ved UiS, som også holdt på med 3D-printing på tidspunktet. Etter
hvert kom man innpå at UiS har et mekanisk verksted som ikke lever opp til det vitenskapelige nivået
til universitetet. Det ble diskutert hva som kunne gjøres for å forbedre situasjonen og å skaffe en
CNC-plasmakutter kom opp som en god ide. Det var enighet om at den ville kunne være til stor hjelp
for studenter og ansatte i forhold til mulighetene til rask, enkel, billig, og presis kutting av stålplater.
Å kunne kutte stålplater er nyttig siden man kan bygge alt fra pc-kabinetter, paneler,
dreiekondensatorer, og mye mer ut av tynnplater. I tillegg så er det en fordel å kunne kutte opp
tykkere plater presist for produksjon av en rekke ulike ting.
Siden en CNC-plasmakutter i all enkelhet er et 3D-koordinatbord styrt av en datamaskin, så er den
ikke så ulik en 3D-printer av FMD™ typen. Den vesentlige forskjellen med en 3D-printer av FDM™
typen at den har en plasmakutter og ikke et 3D-printer hode festet på seg. Det ble raskt klart at
designet og konstruksjonen av en slik maskin, var noe oppgaveskriver kunne skrive en
bacheloroppgave om. Med sin bakgrunn som elev på TAF-randabergmodellen på Randaberg Vgs. har
oppgaveskriver verkstederfaring i metallarbeid. Dette på lik linje med en som ville gått ut i lære som
industrimekaniker eller CNC-operatør. Da ville det også være mulig å bygge maskinen og man ble
enig i at dette var en oppgave det var verdt å satse på. Siden maskinen ville koste litt, men ville bli et
viktig tilskudd til maskinparken på verkstedet, så tok Jan Kåre Bording saken videre til Sjefingeniør
John Grønli. John Grønli var på det tidspunktet ansvarlig for det mekaniske verkstedet på IKM og
styrte derfor med innvesteringene til verkstedet. Det ble gitt klarsignal fra han og så lå ballen død
over ferien.
Etter ferien ble det gitt en mer detaljert oversikt over hvilke spesifikasjoner IKM-avdelingen på UiS
ville at maskinen skulle ha. Oppgaveskriver fant en veileder som var gal nok til å gå med på
prosjektet, Førsteamanuensis Hirpa G Lemu, og fikk godkjent søknaden om oppgaven. Etter jul så
startet arbeidet med å sette de siste rammene som var nødvendig for å kunne begynne på oppgaven.
Dette viste seg å bli vanskelig da John Grønli var i permisjon og Jan Kåre Bording hadde sluttet. Da
verken personen som hadde garantert midler eller personen med kompetanse om CNC-maskiner
tilgjengelig.
1.2 Begrensninger og rammer
1.2.1 Oppgavebeskrivelse
Oppgaven lød fra starten: «Designe, dimensjoner, og konstruer en CNC-plasmakutter som også kan
bygges om til en CNC-fres» Det ble holdt et møte i februar med Sjefingeniør Ingun Cecilie Oddsen, og
Hirpa G. Lemu. Ingun tok over John Grønli sin jobb som ansvarlig for verkstedet, og innkjøperjobben
som Jan Kåre Bording tidligere hadde hatt. På møtet ble det lagt et ledd på oppgavebeskrivelsen og
den endte opp med å lyde som følger: «Designe, dimensjoner, og konstruer en CNC-plasmakutter
som også kan bygges om til en CNC-fres, med hensyn til at det kan fortsettes å forskes på/med
maskinen i fremtiden»
5
1.2.2 Økonomi
Økonomiske rammer en interessante siden man ikke kommer noen vei uten penger når man skal
bygge noe så avansert som en CNC-plasmakutter.
Det ble satt en økonomisk ramme i starten av prosjektet der det ble enighet om at maskinen skulle
ha et budsjett på 20.000kr.
Innkjøpsrammene til universitetet begrenser også oppgaven. Universitetet kan i praktisk forstand
ikke handle på de store nettmarkedene siden de ikke har et kredittkort eller annen form for
kreditbetalings konto. Dagens løsning er at studentene eller innkjøpsansvarlig legger ut private
midler og så får dem refundert. De fleste delene må handles på nettet siden de ikke er tilgjengelig
hos Norske forhandlere, eller bare er tilgjengelige til en unødvendig høy kvalitet og pris for denne
maskinen. Oppgaveskriver har ikke stor inntekt og deler til 20.000 var det da ikke aktuelt å legge ut
for selv. Oppgaveskriver fant det også uetisk at innkjøpsansvarlig skulle måtte legge ut for hele
maskinen. Dette er vell strengt talt en ordning et universitet ikke burde finne seg verdig å ha.
Det ble pga. dette handlet med proforma i stedet. Siden det blir en stor administrasjonsjobb å handle
alle delene på den måten, og at de delene som ble handlet på den måte ikke ble betalt på nesten en
måned av universitetets, så ble det ikke mulig å bygge ferdig maskinen før leveringsfristen.
Beregningene og en tilnærmet komplett komponentliste ligger derimot klar og danner grunnlaget for
denne rapporten.
Oppgaveskriver og innkjøpsansvarlig handlet inn noen deler til maskinen på private kort og fikk det
refundert etter at proformaene ikke ble betalt inne rimelig tid. Det er planlagt at oppgaveskriver skal
handle inn de resterende delene på privat kort etter at semesteret er over. Dette skjer under protest,
men maskinen må bli ferdig og ordningen med proforma fungerer ikke på universitetet sin side.
1.2.3 Mekanisk
Å ha klarlagt de mekaniske rammene er viktige siden de fleste beregningene i denne oppgaven er
mekaniske beregninger. Da er det viktig å ha klare rammer og kvantitative mål som resultatet av
beregningene kan sammenlignes med.
De underliggende styrende rammene for det mekaniske designet er: Maskinen skal bestå av moduler
som det er lett å demontere sånn at maskinen lett kan monteres og demonteres etter behov.
Modulene skal være så lette som mulig sånn at det ideelt sett sal være mulig for en person å
montere maskinen. Målet er at hver modul ikke skal veie mer enn 25kg. Maskinen skal ha et design
og bestå av mest mulig standarddeler sånn at den lett kan vedlikeholdes. Maskinen skal monteres på
skjærebordet i sveisehallen i D-bygget på UiS, og utnytte hele bordets arbeidsflate.
Maskinen designes som to forskjellige maskiner plasmakutter og fres. Det settes derfor opp følgende
to senarioer for belastning:
Fres: Belastning på 250N på verktøyspissen, en akselerasjon for x- og y-aksen på
topphastighet på minst
, og
⁄
, og
⁄ .
Plasma: Ingen belastning på verktøyspissen, en akselerasjon for x- og y-aksen på
topphastighet på minst
⁄
⁄ .
I begge tilfellene skal ikke maskinen ha en total defleksjon i rommet på mer enn 0,5mm.
Defleksjonen måles fra verktøyspiss til skjærebord.
6
1.2.4 Elektrisk
Som nevnt tidligere i innledningen så er CNC en måte å styre maskinen på. Når CNC baserer seg på
data og elektronikk så blir det derfor viktig å sette klare rammer og krav til den biten av maskinen.
Derfor er det interessant å se hvilke krav som blir satt for å forstå den videre beslutningsprosessen i
rapporten.
Denne delen skulle egentlig settes ut til en elektro eller data student, men siden det ikke lyktes så
måtte oppgaveskriver gjøre denne jobben også. Derfor er elektro biten tatt med også.
Oppgaveskriver studerer til maskin ingeniør og ikke elektro, data, eller mekatronik. Pga. dette så har
mye arbeid gått med til læring. Det er forsøkt å vise de relevante valgene og problemstillingene ved
det elektriske systemet til maskinen, men det kan ikke garanteres at alle relevante aspekter er belyst
i oppgaven. Følgende rammer er satt opp for elektro biten av maskinen.
De underliggende kravene til den elektriske løsningen er: Programvare må være lett å bruke og lære,
samtidig som den må ha innstillinger som gjør at man kan videreutvikle maskinen. Løsningen må
være robust med tanke på slitasje pga. kjemikalier, varme, EM-støy, UV-stråling, og mekanisk slitasje.
Det er viktig med et ryddig design og mest mulig bruk av standard deler for å kunne vedlikeholde
maskinen i fremtiden. Løsningen må tilfredsstille de mekaniske kravene for moduloppbygning og
bevegelse.
1.3 Begrunnelser
Bruk av Matlab™
Alle beregninger, utenom de økonomiske, på det endelige maskindesignet er gjort i Matlab™.
Grunnen til dette er at det er forsøkt å lege en samling skript og funksjoner som ved hjelp av felles
parametere gjennomfører alle utregningene. Samlingen er bygd opp med en hovedfil der de fleste
parameterne settes, og så flere funksjoner som bruker disse til å gjennomføre utregningene. På den
måten kan man raskt gjøre en endring av et parameter og så se hvordan det har innvirkning på
maskinen. Samlingen vil ikke bli helt ferdig utviklet, og det er stort rom for forbedring av både ren
kode og også mer nøyaktige utregninger, men den vil fungere til sin hensikt i denne oppgaven.
7
1.4 Rapport struktur
Dette er en lang rapport og for å finne frem til relevant informasjon så kan det være nyttig for leser å
vite hvordan rapporten er strukturert.
Rapporten er bygd opp med tanke på at den ikke bare skal fungere som en presentasjon av arbeidet
som er gjort for å få best mulig karakter, men også for at den skal kunne brukes av andre senere for å
arbeide videre på maskinen. Det tas utgangspunkt i at de fleste som leser rapporten enten har en
data og elektro, eller maskin utdanningen. For å gjøre det lettere å finne frem er elektro og mekanisk
skilt ut i hver sine kapitler. Alt som har med elektrisk, elektronisk, og programvare teori, beregninger,
valg, og begrunnelser er plassert under kapittel 2 Elektro. Alt som har med mekanisk design, og valg
av materialer er plassert under kapittel 3 Design, oppbygning, og løsninger.
Alle resultater av mekaniske utregninger er diskutert i kapittel 4 Diskusjon av resultater.
Resultatene av elektro utregninger blir diskutert i delkapitlene under kapittel 2 elektro. Noen
relevante resultater tas allikevel med i kapittel 4.Den påfølgende konklusjonen som bygger på
kapittel 2,3,og 4 er presentert under kapittel 5 Konklusjon
I et forsøk på å gjøre rapporten litt mer ryddig så har kapitlene blitt delt opp i underkapitler, for
eksempel «Rammen» og «Lineære føringer og bevegelse» under kapittel 3. I disse underkapitlene så
ligger de enkelte deler/komponenter og problemstillinger/valg.
Enkelte delkapitler som ligger under kapittel 2 og 3 vil være sterkt knyttet sammen og det vil der
være en referanse til de stedene i oppgaven hvor man vil kunne finne den relevante informasjonen.
I all hovedsak så kan man lese oppgaven på tre måter som vist i Figur 6.
Figur 6 Forslag til hvordan oppgaven kan leses på av lesere med ulik bakgrunn
8
1.5 Ordforklaring
3D-Printer
En maskin som bygger opp et 3 dimensjonalt objekt ved en additiv prosess
FDM™
«Fused Depositing Moddeling» en additiv produksjons prosess der man legger til
materiale ved dele figuren man vil lage opp i lag for så å tegne hvert lag med for
eksempel en smeltelimpistol for å bygge opp en figur. FDM™ er et registrert
varemerke til Stratasys Inc.
IKM
«Institutt for Konstruksjon og Materiallære» et institutt under Det teknisknaturvitenskapelige fakultet ved Universitetet i Stavanger
eBay™
Auksjonsnettsted www.ebay.com hvor selgere og kjøpere av omtrent alt som kan
tenkes av lovlige varer møtes.
PayPal™
PayPal™ er en betalingstjeneste for netthandel som skal sikre både kjøper og selger
mot svindel.
Shims
Tynne plater av metall som brukes som distansemateriale mellom deler for å
finjustere maskiner (Wikipedia contributors, 2014)
Matlab™
Matlab er et matematisk programmerings-program fra MathWorks.
9
2 Elektrisk
2.1 Programvare
2.1.1 Styring av maskinen
For at maskinen skal kunne gjøre noe trenger den programvare som kan lese G-kode filene. Selv om
man kan bytte ut programvaren senere er det en fordel å velge en bra programvare fra starten av.
Programvaren er begrenset i forhold til hvor mange akser og hvilke verktøy den støtter.
Programvaren er også det de fleste brukerne kommer til å arbeide mest med foruten selve
monteringen av maskinen. Det er derfor viktig at brukergrensesnittet er godt. Siden maskinen i
fremtiden også skal videreutvikles så er det en fordel å ha et stort brukermiljø rundt programvaren,
som kan komme med tips og hjelp når man støter på utfordringer.
Valg
Det finnes mange løsninger til programvare. For å finne frem til den som er best egnet så har
oppgaveskriver søkt rundt på internett forum for CNC-selvbyggere og brukere. Ut i fra det som ble
funnet på forumene så ble det sett nærmere på to programvarer. Begge er godt utbredt og har store
brukermasser. De har i tillegg innebygde profiler for en rekke ulike maskiner. Alternativene som ble
vurdert var LinuxCNC, og Mach3.
LinuxCNC
LinuxCNC er en linuxdistribusjon, altså et eget operativsystem sånn som Windows eller OSX.
LinuxCNC har en stor brukergruppe i friprogmiljøet og er stadig under utvikling. LinuxCNC ser ut til,
uten at oppgaveskriver har fått testet programvaren selv, å være det alternativet som har flest
innstillinger man kan leke med. Derfor blir det det beste valget i forhold til utvikling og forskning på
maskinen. Programmet er også gratis noe som er en stor fordel. En annen vesentlig fordel er at
LinuxCNC kan gjøres til et RTOS, «real-time operating system». Et RTOS er et operativsystem som
prioriterer oppgavene til operativsystemet sånn at de viktigste oppgavene skjer med minst mulig
forsinkelse. LinuxCNC kan også kjøre på det populære utviklerkortet Raspberry Pi. Dette gjør at det
er mulig å putte elektronikken in ni en mindre boks. Den store bakdelen er at det er Linux, som for
mange vil bli fremmed og skremmende.
Mach3
Mach3 er det andre alternativet og er et program som installeres i Windows. Det har også en stor
brukergruppe og mange som har lagd tillegg og plugin til programmet. I og med at det kjører i
Windows så vil det være mulig å kjøre kjente CAD programmer som brukeren kjenner til fra før. Det
er også en rekke programmer for å lage g-kode til maskinen lett tilgjengelig i Windows. Selve det
grafiske brukergrensesnittet er relativt enkelt og godt tilpasset en berøringsskjerm. Se Figur 7 på
neste side. Mach3 er ikke gratis og kostet den 11. April 2014 175 USD.
Konklusjon
Når målet er å få flest mulig til å bruke maskinen så burde den helst vært talestyrt med 3D-touch
grensesnitt. Når oppgaveskriver har erfaring med at man fort må bruke kommandolinjeverktøy for å
gjøre ting i Linux, så blir det for avansert. En professor eller student har ikke tid til å skulle lære seg et
operativsystem for å kunne bruke maskinen. Valget faller da på Mach3 siden det kjører i Windows.
10
Figur 7 Skjermdump Mach3
2.1.2 G-kode generator
G-kode generatoren er programmet som produserer G-kode fra CAD filen. Siden oppgaven er å
dimensjonere og konstruere en CNC-plasmakutter så er det ikke brukt tid på å finne program som
kan produsere G-kode. Programmene finnes og det er mange alternativer, men oppgaven er allerede
så stor at det ikke brukes tid på dette.
11
2.2 Elektriske og elektroniske komponenter
2.2.1 Styringskort og motordrivere
Styringskortet er ryggraden til en CNC maskin. Det har i oppgave å videreformidle signalene til og fra
datamaskinen og de ulike komponentene. På en del modeller er det også her likestrømmen til
motorene kobles inn og så viderekobles. Nødstoppen til maskinen er også normalt koblet inn her og
skrur av selve styringskortet når den blir aktivert. Det finnes mange typer kort som bruker alt fra USB
til db9 og db25 tilkobling. Siden det finnes mange å velge mellom, og denne komponenten er
ryggraden til maskinen, så er det viktig å velge et med god kvalitet. Det er med andre ord viktig å vite
at kortet ikke bare takker for seg uten videre.
Motordriveren har ansvaret for å drive nettopp motorene. De mottar signaler fra styringskortet om
hvor mange steg(se forklaring under kapittel 2.2.3 Motorer), hvilken retning motoren skal rotere, og
et på signal. De kan i tillegg motta signaler om microstepping(se forklaring under kapittel 2.2.3
Motorer), og mye annet avhengig av modellen. Strømmen til motorene går gjennom motordriverne
og de er derfor kanskje de elektriske komponentene som er utsatt for størst slitasje på maskinen. Det
er viktig at kortet er av god kvalitet sånn at ikke den høye spenningen til motorene blir sent tilbake til
datamaskinen. Da kan datamaskinen bli ødelagt. Som med styringskortet er det viktig at den
generelle kvaliteten til motordriveren er høy siden motorene ikke vil bevege seg uten dem.
Valg
Siden det finnes så mange valg så ble en løsning som ofte ble nevnt på nettforum som en god løsning
sammen med programvaren Mach3 valgt. Alternativene blir ikke diskutert siden det blir mye unødig
teknisk fakta og forklaringer ved å ramse opp så ulike alternativer, men kriteriene var kvalitet, at
produktet var utbredt, at det hadde en brukermasse innenfor selvbyggermiljøet, og at prisen ikke var
for høy. Valget falt på kortet G540GeckDrive fra anerkjente amerikanske GeckoDrive™ som har 4
stykk G250 motordrivere innebygd i kortet.
Spesifikasjoner
Kortet har 4 motordrivere, 4 input porter, og 2 output porter. De 4 input portene blir alle brukt til
THC enheten(3 stykk) og endestopp bryterne. En av output portene brukes til å skru på
plasmakutteren/fresen alt etter oppsett. Kortet kan ta opp til 50VDC inn og kobles til datamaskinen
gjennom en db25 kabel. For flere spesifikasjoner se vedlegg 4 Brukermanual G540 GeckoDrive
Motordrivere
De innebygde motordriverne av typen kan ta opp til 50VDC og levere 3,5A per spole til stepper
motorene. Dette tilfredsstiller behovet for strøm som man kommer frem til i kapittel 2.2.3 Motorer.
Motorene kobles til kortet ved medfølgende db9 kontakter(se portene i Figur 8), som gjør at det går
raskt og er lett å demonter dem hvis det skulle bi nødvendig i fremtiden. For å se flere
spesifikasjoner se vedlegg 4 Brukermanual G540 GeckoDrive.
12
Figur 8 Bilde av G540 kortet Kilde (Gecko Drive, u.d.)
2.2.2 Strømforsyning
Motorene trenger strøm for å bevege seg, og stepper motorer trenger likestrøm DC. Hvis
styringskortet er ryggmargen så er strømforsyningen hjertet til maskinen. motorene trenger også, så
høy spenning som mulig for å kunne ha høyest mulig rotasjonshastighet. Det er allikevel viktig at
spenningen ikke overstiger maks spenningen for styringskortet. I dag så er det en rekke
strømforsyninger tilgjengelig på markedet. Problemet er at mange strømforsyninger ikke
nødvendigvis oppfyller norske krav i forhold til konstruksjon og sikkerhet. Det er derfor viktig å være
klar over dette når man skal handle.
Valg
Oppgaveskriver valgte å kjøpe strømforsyning gjennom leverandøren av motorene. Dette siden
leverandøren av motorene ikke vil ha dårlig omtale pga. et verksted brant ned pga. deres
strømforsyning. Dermed velger de et kvalitetsprodukt. De velger også en strømforsyning som vil
holde over tid og er egnet for den belastningen stepper motorer vil utsette den for.
Leverandøren valget en 36V 10A, 360W strømforsyning med jording. 10A er på grensen hvis alle
motorene trakk maks strøm hele tiden, men siden de reguleres ned og bare trekker maks strøm deler
av tiden(se kapittel 2.2.3
13
Motorer) så regnes det som godt nok.
14
2.2.3 Motorer
Dette kapittelet henger sammen med kapittel 3.4.2 og blant annet momentet
regnes ut der.
For at maskinen skal kunne bevege seg så trenger den motorer. Siden noe av det viktigste med en
CNC-maskin er nøyaktig bevegelse så blir valget av motor svært viktig. Det finnes mange typer
motorer, men valget av andre komponenter for denne maskinen begrenser valgmulighetene noe. For
denne maskinen er det valgt en «open loop» styring av bevegelsen. Det betyr at datamaskinen styrer
bevegelsen til motorene, men datamaskinen har ingen måte å kontrollere om maskinen faktisk har
beveget seg. Derfor må motorene kunne bevege seg en bestemt strekning og så stoppe der uten
noen kontroll om det ble rett. Store industriskala CNC-maskiner bruker ofte servo motorer, men de
er «closed loop» (Wikipedia contributors, 2014). Servo motorene er avhengige av en enkoder som gir
tilbakemelding til datamaskinen om rotasjonen til motoren for å kunne gi nøyaktig bevegelse. Valget
faller derfor på stepper motorer.
Stepper motorer er bygd sånn at en rotasjon er delt opp i mange steg, eller «step» på engelsk
(Wikipedia contributors , 2014). Antallet steg varierer og for denne rapporten så tar vi
utgangspunktet i at 200 steg tilsvarer en rotasjon av motorakselen. For hvert steg så kan motoren
levere full kraft mens den holder den posisjonen. Dette gjør steppermotoren i stand til å yte
motstand mot bevegelse selv om den ikke beveger seg, litt som håndbrekket på en bil. Hvis det er
montert en fres på maskinen og den bare skal bevege seg i y-retning for å ta et kutt, så vil motorene
som beveger verktøyet i x-retning hindre bevegelse i x-retning.
Siden motoren er delt opp i steg så kan man regne på hvor mange steg det vil ta for at maskinen skal
bevege seg 1 mm. Hvis man forteller dette til datamaskinen så vil den sende signal til motordriverne,
som styrer strømmen til motoren, at den skal ta så mange steg som er nødvendig for å oppnå den
ønskede bevegelsen. Hvis det er montert en gjengestang med 2mm stigning direkte til motoren sin
aksling, og den har 200steg/rotasjon så blir det 0.01mm bevegelse per steg. Mutteren på
gjengestangen skal bevege seg 3.25mm, da må motoren ta 3.25/0.01 = 325 steg. Ved at
datamaskinen vet hvor mange steg den har tatt så regner den ut hvor verktøyet er til enhver tid. I
tillegg til å ta hele steg så kan de fleste motordrivere for stepper motorer i dag gjennomføre
microstepping. Microstepping er at motoren befinner seg i en posisjon mellom to steg. For mer info
om hvordan det gjennomføres se teori avsnittet på neste side.
Valg av stepper motorer er svært viktig for maskinen. Hvis motorene ikke er sterke nok så vil ikke
maskinen kunne bevege seg raskt nok eller kutte i materialene den skal kutte i. Det finnes mange
forskjellige produsenter så det er en stor jungel å finne frem i for å velge riktig motor. Motorene på
hobby markedet er i all hovedsak standardisert i design etter NEMA størrelser, hvor NEMA 17 er
mindre enn NEMA 23 osv. En NEMA 17 motor kan ha like stort moment som en NEMA 23 motor,
men vil da typisk være lengre og ha større induktans. Motorene må kunne passe på rammen noe som
begrenser utvalget noe. For å finne frem i jungelen er det brukt formler som vist i teori delen på
neste side.
15
Teori
En stepper motor er som nevnt på forrige side bygd sånn at en rotasjon er delt opp i et vist antall
steg. Det tas utgangspunkt i en bipolar motor med 200steg/rotasjon siden det er det som skal brukes
i denne oppgaven. Det er to sett med spoler i motoren som trekker på en mange polet magnet som
er montert rundt akslingen som roterer. Magneten til en steppermotor ser litt ut som et tannhjul
med hver tann som en magnetisk pol, Se Figur 9. For å gå et steg så må en av spolene bytte polaritet.
Dette skjer ved at den snur på spenningen, den bytter fortegn. Da går strømmen i spolen den andre
veien og setter opp et magnetfelt med motsatt polaritet. Microstepping der den ene spolen bytter
polaritet raskt og på den måten holder statoren mellom to steg. Det regnes videre bare på hele steg.
Figur 9 Innsiden av en stepper motor Kilde: (Dolly1010, 2011)
En Stepper motor får større moment jo mer strøm som går gjennom spolene i motoren. Mengden
strøm som går gjennom spolen er bestemt av følgende formel som varierer med tiden:
(
)
Hvor I er strømmen, U er spenningen, t er tiden, L er induktansen til spolen, og
gikk fra før av.
er strømmen som
Strømmen og dermed også momentet til motoren øker med tiden. Den vil fortsette å øke helt til
spenningen snur retning(motoren tar et nytt steg), eller resistansen i kretsen hindrer strømmen i å
øke mer. Motordriveren som er valgt for til denne maskinen regulerer strømmen sånn at den ikke går
over grensen for hvor mye strøm som skal gå gjennom spolen.
16
Hvor mye strøm som skal kunne gå gjennom spolen for å oppnå nødvendig moment kan regnes ut
ved å dele strømmen ved maks moment på maks moment. Så multipliserer man tallet med ønsket
moment.
er regnet ut i kapittel 3.4.2
17
Lineær bevegelse:
For å ta et steg så må en spole snu polaritet. For å snu polaritet så må strømmen gå fra
til 0 og
så til
. Siden formelen egentlig forteller oss hvor lang tid det tar å forandre elektrisk strøm
gjennom en spole så bruker den like langt tid på å lade spolen som å lade den ut. For å ta et helt steg
og en hel rotasjon så tar det med andre ord:
For da å finne rotasjonshastigheten til motoren så blir formelensom vist under (Daycounter Inc.,
u.d.).
Det regnes på RPS og ikke RPM siden det senere skal regnes hastighet i meter per sekund.
Valgte motorer
Valget falt på NEMA 23 motorene: 57BYGH115-003 for x- og y-aksen, og 57BYGH603 for z-aksen. På
x-aksen vil det bli brukt to motorer, en på hver side. Se Figur 5 Aksene på CNC-plasmakutteren hvis
uklart. Se Tabell 1 for motorspesifikasjoner.
Tabell 1 Motorspesifikasjoner steppermotorene. Kilde (Changzhou WanTai Electrical Appliance
Co.,Ltd, u.d.)
Step Motor Rate
Rate
Phase
Phase
Model
Angel Length Voltage Current Resistance Inductance
( °) L(mm) (V)
(A)
(Ω)
(mH)
57BYGH115-003 1.8
115
6.3
3
2.1
9
57BYGH603
1.8
78
8.6
1
8.6
18
Holding
Torque
(kg.cm)
Rotor
Inertia
(g. cm2)
Detent
Torque
(kg.cm)
Motor
Weight
(kg)
30
14.5
810
480
0.89
0.68
1.55
1
Beregninger
Det vil bare bli regnet på motorene for x- og y-aksen. z-aksen skal som det kommer frem i
kapittel3.4.2, bruke en trapesgjengestang. Oppgaveskriver har bygd en 3D printer tidligere med bruk
av samme typer gjengestang, Tr10x2, og med motorer med 1/5 av momentet til 57BYGH603. Det
fungerte selv under større belastninger og det antas også derfor at det vil fungere i dette tilfellet.
For x- og Y-aksen så ble det gjennomført beregninger på maskinen som både plasmakutter og fres, se
innlendingen kapittel 1.2.3 for rammene. Den aksen av x- og y-aksen som krevde størst moment av
motoren ble lagt til grunne for resten av utregningene.
y-aksen når maskinen fungerer som en CNC-fres var den som krevde størst moment. Plasmakutteren
har krav til høyere bevegelseshastighet enn fresen, og derfor regnes det på plasmakutteren sitt RPS
18
behov. Hvis det blir tilfredsstilt ved momentet til fresen, så vil det også bli tilfredsstilt ved
momentbehovet til plasmakutteren som er mindre.
⁄
Kravet til moment gjelder maskinen i bevegelse. Det dynamiske momentet til motorene er ikke like
stort som det statiske momentet også kalt holde-momentet. De fleste motorprodusenter legger ut
en kurve som viser sammenheng mellom moment og rotasjonshastighet. Det finnes for denne
motoren også, men det er ikke mulig å lese siden den er et lavoppløst bilde. For å være på den sikre
siden brukes et forhold mellom dynamisk og statisk moment på 0,7 (Machsupport Forum Users,
2008). Dynamisk moment er 70% av statisk moment ved samme strømmengde gjennom spolene. Da
får vi et nytt krav til det holde momentet som skal brukes videre i utregningene:
Strømmen som går gjennom spolen må da være:
Spenningen U fra strømforsyningen er 36 volt, men det regnes et tap på 1 volt gjennom
kablene. Induktansen L, og steg per rotasjon (1.8° = 200 steg/rot) hentes fra Tabell 1.
(
)
⁄
Konklusjon
Ut ifra beregningene ovenfor kan vi se at motorene valgt for x- og y-aksen er sterke nok. Dette fordi
Motoren greier et høyere turtall enn kravet (3.56 > 3.18) når den leverer det høyeste momentet
maskinen krever,
. I praksis så vil dette bety at motorene får tid til å nå et høyere moment enn
. Dette er en stor fordel siden det ikke er tatt høyde for friksjon i utregningen av
.
Motoren for z-aksen antas å være sterk nok på bakgrunn av oppgaveskrivers erfaring.
Figur 10 Se valgte stepper motorene med fyrstikkeske for skala. Foto: Johan Andreas Thorkaas
19
2.2.4 THC
Plasmakutteren er avhengig av å være i riktig høyde over arbeidsstykket for å få et best mulig kutt.
Siden tynnplater lett blir bøyd hvis de blir behandlet dårlig eller lagret på et utsatt sted over tid, så vil
de kunne være litt bølgete når man skal skjære de opp. For å få best mulig kutt selv om
arbeidsstykket ikke er helt flatt, må man da kunne juster z-aksen opp og ned under selve kutte
prosessen. Dette kunne kanskje væt mulig å gjøre manuelt hvis det ikke var snakk om store
forskjeller i høyden på arbeidsstykket, men i praksis så blir det umulig. Dette siden plasmakutteren
beveger seg svært raskt over tynnplatene når den kutter. Løsningen må da bli en automatisk
regulering av avstanden. Dette finnes og kalles for en THC-enhet «Torch Height Control ».
En THC enhet måler spenningen mellom arbeidsstykket og munnstykket til plasmakutteren.
Spenningen varierer som en funksjon av høyden over arbeidsstykket. Ved å sette en ønsket spenning
så kan THC enheten sammenligne den målte og den ønskede spenningen og gi beskjed til
datamaskinen om justeringer opp eller ned i z-aksen. På den måten vil munnstykket holde tilnærmet
optimal høyde over arbeidsstykket under hele kutte operasjonen.
Valg
Etter det oppgaveskriver har erfart ved å søke på nettet så er THC enheter fort kostbare. Siden
oppgaven har et begrenset budsjett så velges det en mer billig løsning som blir anbefalt av
forumbrukere på nettet. Dette siden forumbrukerne på CNC-relaterte forum raskt sier ifra hvis det er
problemer med et produkt og ber om hjelp. På den måte kan man finne ut om det er mye problemer
med produktet.
Proma Compact THC Controller 150
Valget falt på en THC enhet fra den polske produsenten Proma™ Enheten er valgt siden den får god
omtale, og fungerer godt med Mach3 programvaren og G540 styringskortet. Den kan i tillegg til å
kontrollere høyden gi signal når plasmabuen er klar. Da kan man kan velge at maskinen skal vente
med å bevege seg til den faktisk er i stand til å skjære. For mer info se vedlegg 3 Brukermanual THCenhet Proma. vider THC enheten som ikke er større en at den passer på en standard DIN35 skinne.
Figur 11 Bilde av Proma Compact THC Controller 150. Kilde vedlegg 3 Brukermanual THC-enhet Proma
20
2.2.5 Endestopp brytere
Før maskinen kan begynne å kutte eller frese så må den vite hvor verktøyet befinner seg. Det er lite
hjelp i å ha et godt kart når man er på tur hvis man ikke kan finne ut hvor man er hen. Operatøren av
maskinen kan manuelt taste inn på datamaskinen posisjonen til verktøyet i forhold til skjærebordet.
Problemet er at det krever mye måling til for å finne den, det tar tid, det blir ikke helt den samme
hver gang, og sist men kanskje aller viktigst, det kan automatiseres.
Det er en halvsannhet at vår maskin kan finne ut hvor den er når den skrus på. Det finnes løsninger
for å finne ut hvor maskinen er uten å bevege den, men det var ikke penger til i budsjettet. I stedet så
vil det på denne maskinen bli brukt endestopp brytere. Det er brytere som står i begge ender av alle
aksene, og aktiveres når maskinen når endeposisjonen. Når de aktiveres så brytes et signal til
datamaskinen, og den stopper maskinen. På bakgrunn av bevegelsen til CNC-maskinen før den traff
endestopp bryteren vet den hvilken den traff. Maskinen i denne rapporten vil da vite hvor den var før
den traff endestopp bryterne. At maskinen bevist treffer endestoppene for å finne ut hvor den er
kalles «homing». Endestoppbryterne hindrer også maskinen i å krasje i seg selv.
Det er viktig at bryterne har god repeterbarhet, at de gir samme måling flere ganger. Da kan
maskinen «home» og produksjonen fortsette hvis maskinen skulle miste kontroll over sin posisjon.
Bryteren må også være mekanisk solid og tåle langvarig bruk.
Optiske brytere
En optisk bryter består av en laserdiode og en lysføler + elektronikk som føler om laserstrålen treffer
lysføleren. Hvis det kommer noe imellom så brytes den og det gis signal. Normalt monteres den en
liten plate på en maskinen som bryter lyset når den kommer nærme bryteren og på den måten
aktiverer den. Fordelen med denne bryteren er at den ikke har noen mekaniske slitedeler. Bakdelen
er at den til sammenligning med andre brytere er kompleks med sin elektronikk. Den er heller ikke så
nøyaktig, og koster mer en mekanisk.
Kapasitive brytere
Kapasitive brytere eller sensorer bruker kapasitansen mellom delen den skal måle på og en mottaker
for å beregne avstanden. Den er meget nøyaktig, helt ned i nanometer skala, og meget repeterbar.
Som med den optiske bryteren er det ikke noen mekanisk slitasje av bryterne. Bakdelen er at
bryterne er dyre, og komplekse i funksjon.
Mekaniske mikrobrytere
Mekaniske brytere er mekaniske og består av en fjærbelastet bryter som trykkes inn av maskinen når
den kommer i posisjon for å aktivere bryteren. De er enkle i funksjon og billige i innkjøp. De varer
lenge, men er ikke like nøyaktige som de kapasitive bryterne, men mer nøyaktige enn den optiske. De
er tilgjengelig i et utall utførelser og størrelser fra en reke produsenter.
Konklusjon
Det velges mekaniske brytere siden de er nøyaktige nok og billige i innkjøp. På DIY 3D-printere så
brukes det somregel mekaniske brytere og da opererer man med toleranser på 0.05mm for bryterne.
Det er mer enn nok for denne maskinen. Endestoppene velges å kobles sånn at de slipper gjennom et
signal, NC, når de ikke er aktivert. Hvis en av ledningene skulle gå i stykker eller at man skulle glemme
å koble dem til, så vil maskinen da ikke starte å bevege seg. Alternativet hadde vært at maskinen traff
endestoppen, ikke fikk noe signal siden bryterne var ødelagt eller ikke koblet på, og så krasjet i seg
selv.
21
2.3 Kabler, ledninger, og utfordringer rundt dem
Hvis strømforsyningen er hjertet så er kablene og ledningene i maskinen blodsystemet. De har
ansvaret for å bringe strøm eller signaler til alle komponentene som trenger det. Noen deler som
motorene trenger mye strøm som motorene, og noe som endestopp bryterne nesten ikke noe. Jo
mer strøm du vil ha gående gjennom en kabel, jo større tverrsnitt trenger den.
Figur 12 Oppbygning av en kabel. Et redigert bilde for å oversette til norsk. Original kilde: (Plastics One Inc, u.d.)
En ledning er heller ikke alltid bare bygd opp av en enkelt kobbertråd, se Figur 12. Dette er en fordel
siden mange små kobbertråder gir en mer fleksibel ledning og kabel når den skal bøyes. Flere av
kablene på denne maskinen skal bøyes siden delene de er festet på beveger seg. Hvis hver ledning
består av en tykk kobber leder så vil den raskt få så mye arbeidsherding av den ryker. Da havarer
maskinen og morordriveren kan bli ødelagt. En leder med mange fine ledere vil derimot ikke bli
herdet på samme måte og fungere godt i mange år.
En annen fordel med mange små ledere er at det gir stor motstandsdyktighet mot skinneffekten
(Wikipedia contributors, 2014). Skinneffekten er et fenomen som opptrer når strømmen bytter
retning raskt. Strømmen vil da gå gjennom den ytterste delen, «skinn», av lederne, og ikke like mye i
midten. Dette er en av grunnene til at blant annet høyttaler og radio ledninger består av mange fine
ledere. Når man har mange fine ledere så blir den totale overflaten på lederen større enn med en
tykk leder. På denne maskinen så er det bare ledningene til motoren som kan være utsatt.
EM-støy kan også være et problem. Støyen som går gjennom luften forplanter seg i alt som er
ledende og vil skape støy på signalledningene. Støy vil her si at den kan gi falske signaler til
datamaskin og andre komponenter, og kan på den måte forstyrre maskinen i sin drift.
Elektronmikroskopet på universitetet kansellerer aktivt ut støyen rundt mikroskopet for å kunne få ut
gode bilder. Problemet med CNC-plasmakutteren er at det er selve plasmakutteren som er kilde til
den kraftigste støyen. Dette siden den har en HF-tenner «High Frequency» av plasma buen. Da kan
ikke selve maskinen skjermes og det må vurderes om det er nødvendig å skjerme elektronikken og
kablene mellom dem.
Som man kan forstå at det som står ovenfor er det ikke bare rett frem med kabler. Det er mye å
tenke på og derfor er de følgende delkapitlene nødvendige.
22
2.3.1 Kablene
Bakgrunn
På maskinen er det mange forskjellige elektriske komponenter som trenger signaler eller strøm. Det
er behov for forskjellig tverrsnitt og type ledning i kablene alt etter hva de skal brukes til. Alle
standardkabler som for eksempel strømkabel til PC nevnes ikke her siden det er overflødig
informasjon.
Kabler til stepper motorene
Stepper motorene har 6 ledninger på motoren, men man trenger bare 4 av dem for å kunne bruke
motorene. Dermed trenger man en kabel med minst 4 ledere. Det skal gå mye strøm gjennom
lederne, på det meste 3A. Siden spenningen ikke er veldig høy, 36V må man unngå at det blir for mye
spenningstap i ledningen sånn det blir liggende mest mulig spenning over motoren som forklart i
kapittel 2.2.3 Motorer. Det er også viktig at kabelen kan bøye seg regelmessig uten å få brudd pga.
arbeidsherding av lederne. For å motvirke det så må lederne bestå av mange tynne kobbertråder og
ikke en tykk. Dette motvirker også skinneffekten. Kabelen vil være en kilde for EM-støy siden det går
mye strøm gjennom den og den bytter retning fort (CNC-arena forum users, 2006). Sammenlignet
med en radio så er ikke frekvensen til en stepper motor stor eller «rask», men den er allikevel stor
nok til å kunne forårsake problemer (CNC-arena forum users, 2006). Det kan være en ide å bruke en
skjermet kabel som ikke slipper ut like mye EM-støy for å skjerme resten av maskinen fra den.
Plasmakutteren ses allikevel på som en mye større kilde til støy enn stepper motorene. Se kapittel
2.3.3. Ved å sette et krav på spenningstap på maks 1V så må det være et areal på minst
etter utregninger med Matlab-skriptet «ledning_tversnitt.m», se Vedlegg 1.
Oppsummert så er kravene helst en skjermet kabel med minst 4 ledere på minst
med fintrådet leder sånn at den kan bøye seg.
og
Endestopp kabler
Endestoppene skal seriekobles så der trengs det bare en ledning mellom hver av endestoppene.
Ledningen må være i stand til å bøye seg siden den skal gå til bevegelige deler også, så en finkordet
ledning, gjerne høyttaler ledning er et bra valg. Tverrsnitt er ikke så viktig siden det ikke skal gå mye
strøm. For å unngå problemer med EM-støy så burde ledningene skjermes.
Strømforsyning til styringskort
Det er viktig med et stort tverrsnitt sånn at det ikke blir spenningstap her siden det vil gå mye strøm
gjennom ledningen. Ledningen skal ellers ligge i ro og vil være beskyttet mot EM-støy siden den ligger
inni kabinettet til elektronikken.
Signalkabler mellom THC-enhet og styringskortet
Avhengig av om THC-enheten skal stå i kassen sammen med den andre elektronikken, eller bygges
inn i plasmakutteren så vil den trenge forskjellige kabler. Skal den stå sammen med den andre
elektronikken kan det brukes vanlig datakabel. Skal den derimot stå på plasmakutteren må den ha
skjermede kabler.
23
2.3.2 Kabelkjede
Bakgrunn
Når maskinens deler beveger seg så må ledningene kunne bevege seg med dem. Siden maskinen har
ganske lange strek den beveger seg over så er det ganske lange strekk med kabel som skal strekkes ut
og trekkes tilbake alt etter maskinen sin posisjon. Hvis det ikke er noe som holder styr på hvor
ledningene er så vil de kunne sette seg fast i skjærebordet, deler som arbeides på, og alt mulig annet.
For å sørge for at det ikke skjer så brukes det kabelkjeder.
Om kabelkjede
Kabelkjeder kan minne om beltene på en beltevogn, er «hule», og gir bevegelsesmulighet i bare to
akse retninger. Se Figur 13 Ved hjelp av kabelkjeder så legges for eksempel kablene til alt som er
festet på y-vognen på toppen av y-rammen. Kabelkjedene kan også designes sånn at de begrenser
den minste mulige bøyeradiusen for kablene noe som igjen gjør at kablene varer mye lengere siden
de ikke får så mye arbeidsherding. Siden det er ganske lange strekk på denne maskinen så er det
nødvendig å bruke relativt brede kabelkjeder for å unngå det vi fra mekanisk design kjenner som
knekking. Kabelkjedet må være minst 50mm bredt og tykk/høyt nok til å kunne romme kablene.
Figur 13 Bilder av 3D-printet kabelkjede
Tromler for å sørge for rett bøying
Siden kabelkjedene er såpass lange så er et også ønskelig å ha kontroll på hvordan det kveiler seg
sammen på y-rammen for å få plass til hele kabelkjedet. For å sikre dette så er det ønskelig å
montere tre eller flere(avhenger av kabelkjede og kablene sin bøyeradius) tromler med tynn stålvaier
eller line som er fjærbelastet. Mekanikken blir litt som en hageslange trommel som trekker seg
automatisk inn igjen, eller et målebånd som ruller seg selv inn igjen. Se Figur 14 Det har ikke lyktes å
finne dette til en fornuftig pris og dimensjon så det må mest sannsynlig designes og produseres selv.
Hvis det ikke blir tid til å designe og produsere dem før maskinen er ferdig så er det en mulig ny
bachelor oppgave.
24
Figur 14 Illustrasjon tromler og kabelkjede på y-rammen
Oppsummering
Kabelkjeder er nyttige hjelpemidler for å hindre slitasje av kabler og sørge for at de ikke setter seg
fast eller kommer i klem under bruk av maskinen. Siden det er lange strekk med kabelkjeder så må
det være minst 50mm bredt for å prøve å unngå knekking, og tykt/høyt nok til å romme kablene.
Bøyningsradiusen burde forsøkes å tilpasses sånn at den er litt større enn anbefalt verdi for kablene
som blir brukt. Det er ønskelig å bruke tromler som drar i kabelkjedet og på den måten hjelper det
med å folde seg sammen mest mulig effektivt. Det har ikke vært mulig å finne noen tromler som
passer til formålet, men det går an å designe selv eller kanskje gjøre det til en egen bacheloroppgave
til neste år.
25
2.3.3 EM støy
Når plasmakutteren i denne oppgaven skal starte å kutte så bruker de en HF-tenner. HF-tenneren
gjør det mulig å danne en lysbue sånn at dannelsen av plasma begynner. Dette sender ut store
mengder EM-støy. EM støy kan med litt kunstnerisk frihet sammenlignes med en båthavn der vi
spiser frokost i en liten sørlandssnekke. Havnen han en molo med en åpning rett ut til havet, og det
kommer stadig bølger inn her. Bølgene treffer pirene i havnen og blir kastet frem og tilbake innenfor
havnebassenget. Dette kan sammenlignes med bakgrunnsstøyen(EM-støy) fra verdensrommet. Disse
små bølgene rugger båten forsiktig men frokostbordet står støtt. Av og til så går det en båt inn eller
ut av havnene. Når den passerer forbi så blir det litt ekstra bølger som vugger båten noe kraftigere.
Vi holder på melkekartongen og glassene på bordet sånn at de ikke velter, men ellers så står alt støtt.
Dette kan sammenlignes med mange vanlige kilder til Em-støy som vi har rundt oss. Transformatorer
til lamper, HF-tennere til lysrør, plasmatv-er, osv. Disse er ikke noe problem hvis de er godt skjermet,
med andre ord at det er satt inn tilstrekkelige tiltak for å hindre at EM-støyen slipper ut. Av og til så
kan det hende at det ikke er nok, og det er dette som man kan høre som bakgrunnsstøy på
stereoanlegget. På den andre siden av havnen så er en stor Princess lystbåt med ørten for å en halv
million hestekrefter på vei ut av havnen. Når den ligger midt i havnebassenget så gir den plutselig
bånngass mot åpningen, og drar opp noen digre bølger. Nå er det bare å holde fast på alt på
frokostbordet, for når bølgene treffer båten velter både bordet og personene som sitter rundt. Her
har vi plasmakutteren sin HF-tenner i verste tilfelle. Men hva er egentlig problemet med EM-støy for
maskinen?
Hva er problemet for CNC-maskinen?
Elektronikken i CNC-maskinen er i all hovedsak digital. Det betyr at den kommuniserer og arbeider
med signaler som er enten av eller på, lav og høy. Det kan sammenlignes litt med morse hvis det bare
var mulig å sende prikker. Hvis man sitter å skal prøve å motta et morsesignal og noen andre i
rommet slår på høy musikk eller vil se på en actionfilm på full guffe på tv-en så kan det bli vanskelig å
høre signalet. Det kan bli så vanskelig å høre signalet at vi prøver å høre så hardt at vi hører signaler
som egentlig ikke er der. På den måten så blir det umulig for oss å motta den rette beskjeden.
Mennesker er gode til å se mønster i ting og kan på den måten kanskje takle å få et par bokstaver feil
for så å rette på det når man ser sammenhengen med det andre man har mottatt. Datamaskiner som
sender digitale signaler og blir utsatt for EM-støy kan ha det på samme måten som morse lyttere. E;støyen forplanter seg i ledningene og gir et rotete signal, se Figur 15. Det finnes noen måter
datamaskinen kan finne feil på i de mottatte beskjedene. Problemet signalene fra for eksempel
datamaskinen til motordriverne ikke kan bli dobbeltsjekket i motordriver enden. Motordriveren som
har blitt valgt har rett og slett ikke elektronikk til å gjøre det, og oppgaveskriver har heller ikke hørt
om noen som har det. Derfor er CNC-maskinen sårbar for EM-støy.
Stepper motorene en kilde til EM-støy
Stepper motorene har strøm som bytter retning. Med en hastighet på ca. 3 rotasjoner i sekundet, og
200 steg per rotasjon, så kommer vi opp i ca. 300Hz. Det er to poler og hver pol bytter bare retning
annenhver steg. Med microstepping 20, så kan dette øke ytterligere til 6kHz. Dermed vil stepper
motorene bli en kilde til elektromagnetisk støy. Det ser ut til, det oppgaveskriver har greid å finne ut
av informasjon på nettet, at det ikke vil være et problem for CNC-maskinen. De rapporterte
problemene som er funnet på nettet går ut på forstyrring av analogt utstyr. Det er ikke noe analogt
utstyr på maskinen som ikke har innebygd støybeskyttelse sånn som den nå er designet. Det er
ønskelig å videreutvikle maskinen i fremtiden og da kan det bli montert analogt utstyr.
26
Figur 15 Konstruert eksempel på EM-støy sin innvirkning på endestopp signalet
Hva på maskinen kan bli påvirket, og hvordan?
Siden styringskortet med motordriverne, og datamaskinene bygges inn i en metallkasse, så antas det
at dette ikke blir påvirket. Se forklaring lengre nede i kapitlet. De utsatte delene blir da ledningene til
THC-enheten hvis den plasseres i plasmakutteren, og endestoppene.
Signalet til endestoppet ligger jevnt på en spenning. For eksemplet ovenfor så brukes 5 volt. Hvis
spenningen når 0 volt eller i nærheten så vil datamaskinen anse endestoppen for aktivert og
maskinen vil stoppe. Figur 15 er et rent fiktivt konstruert eksempel, bare beregnet på å demonstrere
prinsippet med EM-støyen sin påvirkning. Fra den kan vi se at signalet når under 0 volt ved flere
anledninger(den røde grafen). Den blå linjen viser det egentlige signalet uforstyrret. Maskinen vil her
flere ganger stoppe opp siden den oppfatter endestoppen som aktivert. Støyen vil hindre maskinen
fra å fungere.
THC-enheten sender ikke et konstant signal, men gir et signal når z-aksen skal justeres eller
plasmabuen er tent. I kan man se den blå kurven som er det originale signalet fra THC enheten. Det
gir totalt 3 signaler til datamaskinen. Når EM-støyen kommer inn i bildet så blir signalet et helt annet.
Litt alt etter hvordan mottaker siden mottar signalet så oppfatter datamaskinen et sted mellom 3 og
9 signaler. Dette vil gjøre at det ikke blir riktig kutt høyde for plasmakutteren. Over tid så vil
maskinen justere høyden sånn at den blir tilnærmet rett, men den vil svinge rundt riktig høyde, aldri
bli værende der. Dette vil føre til unødvendig ujevne kuttflater.
27
Figur 16 Konstruert eksempel på EM-støy sin innvirkning på THC signalet
Teknologiske løsninger
EM-støyen forplanter seg i ledende materialer, som for eksempel ledninger. For å unngå at støyen
skal nå ledningen så kan man legge en ledning på utsiden av ledningen, se skjerming i Figur 12.
Støyen vil da forplante seg i denne ledningen i stedet og ved å jorde den så kan man unngå at den
skaper problemer for maskinen. Noe av det samme prinsippet gjør at man burde jorde skjærebordet
og elektronikk kassen, siden støyen også vil forplante seg i dem (Dave Cook, u.d.).
Å bruke tvinnede kabelpar til signaler er også en måte å motvirke støyen ( CNCCookbook, Inc., u.d.)
Et annet tiltak er å feste en ferritt kjerne rundt lederen. Dette demper høyfrekvente signaler som for
eksempel elektromagnetisk støy fra en plasmakutter, eller naboens plasma-tv ( CNCCookbook, Inc.,
u.d.).
For endestoppene sin del kan det hjelpe å stille «debounce» høyere i Mach3 programvaren. Dette
gjør at bryteren må være trykket inne lengre for at datamaskinen skal lese den som aktivert og
stoppe maskinen.
Konklusjon
Det velges å bruke skjerming på alle signalkabler som går på utsiden av kabinettene. Hvis ikke
kostnaden er for stor så burde det også brukes på kablene til motorene. Det er ønskelig å få satt et
eget jordspyd under maskinen sånn at maskinen kan jordes der. Det skal brukes tvinnede
signalkabler og hvis ikke kostnaden er for stor så brukes det også ferritt ringer for å prøve å dempe
støyen noe.
EM-kan være en stor utfordring og dette er et forsøk, ikke en garanti for å få kontroll på det. Dette er
langt utenfor mitt fagfelt som maskin ingeniør student.
28
3 Design, oppbygning, og løsninger
3.1 Generelt
I denne delen diskuteres de generelle linjene for maskinen. Forklaring av hvordan beregningene vil
bli utført og hvordan resultatene vil bli presentert, og utfordringer ved maskinen blir blant annet
presentert her.
3.1.1 Modulær oppbygning
Denne delen er basert på beslutninger tatt i kapittel 3.2 , 3.3.1, og 3.3.2 det kan derfor være et poeng
å lese gjennom dem hvis man føler at man har hoppet over noe når man leser dette kapittelet.
Maskinen skal være lett å demontere samtidig som den må fungere. Det ideelle hadde vært om en
enkelt person kunne sette den sammen og ta den fra hverandre. Det skal tilstrebes at hver enkelt
modul veier under 25 kg. Dette er vanskelig siden maskinen består av så store deler at den blir
uhamstelig. Det man kan gjøre noe med er å gjøre festene mellom modulene så enkle som mulig.
Etter Figur 17 er alle de mekaniske koblingene mellom modulene diskutert
Figur 17 Modul oversikt, hele maskinen
Skjærebord til x-aksen
Festet mellom bord og x-aksen er det mest tungvinte festet, og kanskje det viktigste. Dette er
«grunnmuren» til maskinen og hvis det blir skeivt her så blir hele resten av maskinen skeiv. Hvis
maskinen skulle stå fast montert, men måtte kunne demonteres så ville det være en fordel med et
feste som kunne justeres sånn at man ville kunne stille inn maskinen til å være helt parallell og i vater
hver eneste gang man monterte maskinen. Dette går ikke siden maskinen skal bli montert og
demontert kjapt og forhåpentligvis ofte. Da kan man ikke bruke flere timer på å kalibrere maskinen
hver gang. Festet til x-aksen må kunne plasseres på akkurat samme plass gang den monteres,
eventuelle justeringer vil kunne bli gjort med shims under de lineære føringene. Festet til
skjærebordet blir bestående av bolter og en splint på hvert feste. Splinten står fast i skjærebordet og
sørger for at maskinen havner i samme posisjon hver gang den monteres.
29
x-til y-aksen
Siden festet mellom skjærebordet og x-aksen involverer en del skruer så er det ønskelig at dette
festet blir så enkelt som mulig. Siden y-aksen beveger seg langs lineæreføringer og det bare er
reimen fra motoren som holder den fast blir det lettest at det er en skrue i festet til reimen som
løsnes for å demontere x- og y-aksen. Når reimen er løsnet kan y-aksen ganske enkelt bare sklis av
den lineære føringen.
z-aksen til verktøy modulen
Festet mellom z-aksen og verktøy modulen, i dette tilfellet i Figur 17 så er det plasmakutter festet,
setter krav til at det kan festes mange ulike typer verktøy der i fremtiden. Det er også viktig at
festemetoden er solid nok til at ikke verktøyfestet beveger seg i forhold til z-aksen da dette for
eksempel under fresing vil skape store feil i arbeidet til maskinen. Det velges en kombinasjon av
rørsplinter og bolter for å tilfredsstille kravene.
30
3.1.2 Senarioer for utregning og maskinposisjoner
Maskinen vil bli utsatt for belastninger som vil variere med hvilken posisjon verktøyet har på
skjærebordet. For å avdekke svake punkt og danne et så komplett bilde som mulig over
deformasjonen i de forskjellige tilfellene så har maskinen blitt delt opp i forskjellige posisjoner. Ved
hjelp av en kombinasjon av disse posisjonene vil det dannes totalt 12 kombinasjoner å regne på. For
å begrense arbeidsmengden noe har de 8 kombinasjonene som forventes å ha høyest defleksjon blitt
valgt ut. For disse vil det bli identifisert og 8 av disse har blitt til relevante senarioer som blir
presentert.
Posisjoner for x-aksen
Figur 18 Maskinposisjoner for x-aksen, maskinen står i posisjon IV
I Figur 18 ser vi de fire posisjonene det regnes på. I over endefestet til venstre, II midt mellom ende
og midt festet, III over midt festet, og IV over høyre endefeste. Posisjon I, II, og III sier seg selv hvorfor
det er interessant å regne på. Posisjon IV er interessant å regne på siden når maskinen fungere som
fres så vil man få et moment om y-bjelken og da vil det resultere i en kraft på den utstikkende delen
av x-aksen til høyre i Figur 18. Siden det er en utstikkende bjelke så kan det hende at det vil resultere
i en større deformasjon.
Posisjoner for y-aksen
Figur 19 Maskinposisjoner for y-aksen
31
For y-aksen så er det tre posisjoner som er interessante. Posisjonene er for hvor z-rammen befinner
seg på y-aksen. V er høyre ende og VII er venstre ende i Figur 20. Siden høyre ende har et ekstra
utstikk på rammen som fører til at x-aksen på den siden må ta bære litt mer vekt enn venstre side,
derfor trenger man både posisjon V og VII for å få et riktig bilde, siden de blir forskjellige. VI er midt
på y-aksen.
Posisjoner for z-aksen
Figur 20 Maskinposisjoner for z-aksen, z-aksen står i posisjon X
For z-aksen så er de tre posisjonene X verktøy på samme høyde som skjærebordet, IX verktøy midt
mellom skjærebordet og y-rammen, og VII verktøy på høyde med y-rammen. Figur 20 presenterer
posisjonene visuelt.
Kombinasjoner
Relevant for matlab utregninger, bare Tabell 2 og at det bare regnes på z-aksen i posisjon X er
egentlig interessant for resten av oppgaven.
Siden kreftene som virker på for eksempel x-aksen er avhengige av hvor z-rammen står på y-rammen
så gis hver kombinasjon av x- og y-akse posisjon en bokstav. Dette gir 12 kombinasjoner, og hvis man
tar med de tre posisjonene til z-aksen så får man 36 forskjellige kombinasjoner. For enkelthetsskyld
så regnes det bare på z-aksen sin posisjon X, det er også da momentet om y-aksen vil være størst og
det er forventet at defleksjonen blir størst.
Tabell 2 Kombinasjoner basert på ulike maskinposisjoner på x og y aksen
I
V a
VI e
VII i
II
b
f
j
III
c
g
k
IV
d
h
l
32
Senarioer
For å forenkle utregningene enda mer så ble 8 av kombinasjonene i Tabell 2 valgt ut til å bli regnet
på. Kombinasjonene er a til h. Dette siden posisjon V på y-aksen er tyngre på x-rammen enn posisjon
VII pga. utstikket av y-rammen på V siden. Bare for å gjøre det litt mer komplisert så er senarioene
nummerert med tall der 1 = a, 2 = b osv. Figur 21 gir en oversikt over hvor verktøyet/z aksen står ved
de ulike senarioene.
Figur 21 Senarioer for verktøyposisjon, maskin sett ovenfra
3.1.3 Galvanisk korrosjon
Maskinen består av flere forskjellige typer metaller. I all hovedsak er det snakk om aluminium og stål.
Det blir brukt aluminium i selve rammen, se kapittel 0, og som støtter til de lineære føringene, se
kapittel 3.4.1. Stål blir brukt i skruer og de lineære akslingene. Skjærebordet er også i stål. Det velges
stål skruer siden oppgaveskriver har erfaring med at skruer av aluminium i aluminium «gror fast»
over tid. Mellom jern og aluminium vil det dannes galvaniskspenning. Hvis det kommer vann imellom
så kan det føre til galvanisk korrosjon. I denne prosessen så vil det minst edle metallet, i denne
sammenhengen aluminium, oksidere vekk (Wikipedia contributors , 2014). Maskinen skal i
utgangspunktet ikke bli utsatt for vann. Elektronikken og skjærebordet er ikke designet for det. For å
være på den sikre siden så burde alle kontaktflater mellom aluminium og stål smøres med en form
for seigt syrefritt fett, eller annet dielektrikum. Dette for å hindre at vann kan trenge inn ved en
senere anledning.
33
3.2 Rammen
Rammen er veldig viktig. Det er den tyngste delen av maskinen noe som er viktig med tanke på at
maskinen skal kunne tas fra hverandre. Rammen sin stivhet avgjør hvor stor belastning verktøyet kan
få før defleksjonen blir for stor. Den bestemmer også størrelsen på arbeidsområdet til maskinen.
Rammen må også ta hensyn til omgivelsene til maskinen. Hvordan skal arbeidsstykket, for denne
maskinen gjerne store tunge stålplater, plasseres på maskinen? Alt dette må det tas hensyn til. I
tillegg så må designet i sås stor grad som det er mulig tillate modifikasjon og utbyttbarhet i
fremtiden. En modul må kunne byttes ut med en nye en uten at hele maskinen trenger å designes på
nytt.
3.2.1 Overordnet design av rammen
Det overordnede designet av rammen er viktig. Det må være så plass effektivt som muligsiden
universitetet ikke har ubegrenset med plass på verkstedet. Det må også helst være plasseffektivt når
det er demontert. Et viktig moment er at det må gi maskinen så stor arbeidsflate som mulig, og god
nok arbeidshøyde. Det aller viktigste er at det må være mulig å få arbeidsstykket inn i maskinen.
Dette blir fort utfordrende når arbeidsstykket er en hel stålplate på 2400x1500mm. Platen blir fort
tung når den blir tykk.
Arbeidsområdet
Et søk hos flere norske stålleverandører ble gjennomført for å finne ut hvor stor en standard stålplate
er. Det var et mål å kunne laste stålplater rett inn i maskinen fra leverandør for å gjøre kuttprosessen
mest mulig effektiv. Etter å ha søkt i blant annet Norsk Stål (Norsk Stål, u.d.) og Smith Stål (Smith Stål,
2011) sin katalog så ble det observert at platene varierte mellom 1000 til 1500mm i bredden, og
2000 til 3000mm i lengden. Skjærebordet i verkstedhallen er 1500mm bredt, så maskinen vil kunne
ta de bredeste stålplatene. Skjærebordet er ikke lengre enn 2020mm så hele plater større enn det vil
ikke få full støtte under. Det er i seg selv ikke et problem, men mangel av plass på verkstedet er det.
Som man kan se av Figur 22 så er det ikke så stor plass rundt Skjærebordet. Det må også tas hensyn
til feste mellom x- og y-aksen, se kapittel 0.
Figur 22 Røff, ikke skala oversikt over sveiseverkstedet
34
Det originale poenget med å kunne bygge maskinen om til en fres var for å kunne frese ut detaljerte
landskapsmodeller i styroform, isopor, eller tre materiale. Maskinen trenger derfor en viss
arbeidshøyde for å kunne bearbeide blokker med isopor eller styroform. Her settes det et krav om
minst 100mm arbeidshøyde valgt av oppgaveskriver.
På lastning av plater
Som Figur 22 viser så er det ikke så god plass langs kortsidene av skjærebordet. Derfor kan det bli
vanskelig å laste stålplater inn fra de sidene. Siden den ene langsiden står et stativ med stålplater så
er egentlig det beste alternativet den siste langsiden. Det er ikke traverskran på sveiseverkstedet,
men det er en større elefant som man kan bruke for å få lastet på platene.
Design forslag 1
Fordeler: Maskinen kan lett lastes fra langsiden som er lettest tilgjengelig. Maskinen kan opereres fra
langsiden som gjør at gangene på siden av maskinen ikke blir blokkert under bruk.
Bakdeler: x-aksen blir lang, over 2 meter, noe som gjør at det må ha et høyt treghetsmoment for å
unngå for stor defleksjon. x-aksen blir også veldig tung i forhold til z-aksene noe som ikke er bra med
hensyn på målet om at hver modul ikke skal veie mer enn 25kg.
Figur 23 Designforslag nr. 1 til venstre og nr. 2 til høyre. Sett fra nesten samme vinkel.
Design forslag 2
Fordeler: Kortere overhengende akse, y-aksen, som gjør delen lettere og minsker kravet til
treghetsmomentet. Det går an å laste stålplater på maskinen fra langsiden. Dette lar seg gjøre hvis yaksen flyttes helt over i andre enden, og stålplatene løftes over x-aksen ved bruk av elefant.
Bakdeler: x-aksen stikker bare ut på den ene siden noe som gjør at det blir trangere å passere
maskinen på den siden.
Konklusjon
Design nr. 2 velges. Løsningen tillater å laste plater som er lengre enn 2000mm i maskinen. Dette
siden det ikke er noen hindringer på kortsidene til maskinen utenom passeringveiene. Det vil være en
stor fordel siden noen plater kanskje bare blir levert i størrelser lengre enn 2000mm. Da slipper man
å manuelt kappe dem før bruk. Løsningen tillater, selv om den er noe mer strabasiøs enn nr.1, å laste
stålplatene inn i maskinen med elefant. Den korte y-aksen som gir redusert vekt og krav til dimensjon
på rammen er en også et viktig moment. Festene mellom skjærebord og x-aksen blir montert 50mm
lengre ned en selve bordflaten. Dette for å skjerme dem for skjærebrenneren.
35
3.2.2 Valg av materiale til ramme
Rammen til maskinen er den tyngste delen av maskinen og det er her man kan spare mest vekt. Det
er viktig å lage maskinen lett hvis den skal kunne oppfylle kravet med å være lett å montere og
demontere. Det er derfor ønskelig med et stivt, men lett materiale til konstruksjon av rammen.
Teori
I tekniske term så vil det si et materiale med høy E-modul som mulig, men samtidig så lav tetthet «ρ»
som mulig. Jo høyere verdi følgende utrykk gir, jo bedre egnet er det rent mekanisk.
[ ]
⁄
Ved å sammenligne noen forskjellige materialer så kan man finne gode kandidater for materialet til
rammen. I og med at det finnes en rekke ulike legeringer av stål, aluminium, osv. og disse
legeringene har litt ulik tetthet så tallene blir ikke helt nøyaktige.
Tabell 3 Sammenligning av ulike materialers E- modul og tetthet
kilder: (engineeringtoolbox.com, u.d.), (engineeringtoolbox.com, u.d.)
Materiale
⁄
Aluminium
25.56
Stål
26.25
Nylon
3.57
Messing
14.74
ABS
2.93
Titan
26.67
Kompositt
Komposittmaterialer som for eksempel karbon og glassfiber er ikke tatt med i vurderingen i Feil! Fant
ikke referansekilden.. Dette siden materialdata varierer mye, og det er dyrt og vanskelig å få det til å
bli helt nøyaktig noe som er viktig når man bruker det til en CNC-produksjons maskin. Det er også
vanskelig å for eksempel skulle borre et hull i en karbonfiber profil uten å ødelegge den hvis man ikke
vet hva man gjør, og da er det dumt å bruke det hvis man vil at andre skal arbeide videre på
maskinen senere og ha mulighet til å forandre på den.
Økonomi
Feil! Fant ikke referansekilden. viser at stål, aluminium, og titan har de høyeste og dermed også de
beste verdiene. Titan er dyrt og ikke så lett tilgjengelig, så det er ikke et alternativ denne gang. Dette
siden det er for liten forskjell på titan, og stål og aluminium til å kunne rettferdiggjøre den økte
kostnaden. Da står aluminium og stål igjen som kandidater.
Produksjon
Stål er veldig greit å arbeide med både med bearbeiding og sveising. Aluminium er litt mer følsomt da
det stiller større krav til renslighet ved sveising, og årvåkenhet under bearbeiding. Stål er definitivt et
førstevalg når det kommer til produksjon av maskinen, men det er ikke så mye vanskeligere å arbeide
med aluminium.
Krav til høyde på y-aksen
Det er et poeng at de lineæreføringene på y-aksen står så langt fra hverandre som mulig sånn at de
får lengst mulig arm til å motstå et moment påført maskinen når den brukes som fres. Se for deg at
du har en sveiv koblet på en trommel. Du står å holder på kanten av trommelen og noen prøver å dra
sveiven rundt. Jo større trommelen er, jo lettere er det for deg å holde den i ro siden du får større
arm om omdreiningsaksen. På maskinen så er hendene som holder på trommelen de lineæreføring-
36
blokkene og sveiven er freseverktøyet. Kraften som virker på fresen når den skjærer er personen som
prøver å dra sveiven rundt.
Krav til vekt
En avstand mellom de lineæreføringene på y-aksen på ca. 300mm er ønskelig for å få en god nok arm
og plass på z-vognen til å kunne videreutvikle maskinen senere. Det tas utgangspunkt i at man bygger
rammen med rektangulære hulprofiler. Ved en kombinasjon av to profiler som settes oppå
hverandre på høykant kan man bygge en høy og lett bjelke. Det tas utgangspunkt i profiler med en
høyde på 150mm for å få en bjelke med en høyde på 300mm. Hvis det skal brukes stål (B2BMETAL,
u.d.) så blir maskinen veldig tung. Aluminium (Ruukki Norge As, 2014) gir en maskin som veier nesten
halvparten så mye. Dette har en sammenheng med Vekten er viktig siden maskinen skal demonteres
og det ikke er traverskran på sveiseverkstedet.
Konklusjon
Rektangulære hulprofiler av aluminium er det best egnede materialet til rammen på maskinen. Det
viktigste argumentet er kravet om vekt der det vil være mye å spare i forhold til stål.
3.2.3 Valg av profil dimensjon til rammen
Det ble gjort innledende utregninger med noen satte krav for å kunne velge dimensjonene på
hulprofilene. Belastningene her ble satt med god sikkerhetsmargin for å kunne gå til innkjøp av
materialer sånn at konstruksjonen av maskinen kunne komme i gang før de mer tidkrevende
matematiske modellene var klare. For å velge hvilken dimensjon den rektangulære hullprofilen måtte
ha, ble Matlabskriptet Ramme_valg.m brukt, se vedlegg 1
Resultatet ble at 150x100x5 rektangulære hulprofiler ble valgt.
37
3.2.4 y-vogn, z-aksen, og verktøyfestet
Rammer, begrensninger, og hensyn
Verktøyet som monteres på maskinen må kunne bevege seg opp og ned over hele avstanden mellom
y-rammen og skjærebordet (145 mm). Pga. at valg av innkjøp av lineære føringer gjør at man får
lengder på 540mm til z-aksen, se kapittel 3.3.1. Z-platen blir 300mm høy og 311mm bred siden den
da plasserer de lineære føringene nesten kvadratisk. Det er da ikke egentlig nødvendig med mer enn
300+145=445mm med lineære føringer til z-aksen for å kunne bevege verktøyet i hele området
mellom skjærebordet og y-rammen. Vektøkningen med å beholde de ekstra 95mm med lineære
føringer og øke y-vognen sin høyde sånn at den passer er derimot minimale. Muligheten for å kunne
bygge om maskinen til å ha større arbeidshøyde gjør at det velges å beholde dem i full lengde,
540mm. Y-vognen, se Figur 24, blir derfor like høy sånn at den gir støtte for de lineæreføringene hele
veien. Man slipper også å lage en ny plate senere hvis man øker maskinen sin arbeidshøyde.
Bredden på platen blir 300mm for å få tilnærmet like stor avstand mellom de lineære føringene som
på y-rammen og for å gi stor plass til montering av verktøyfester av ulike utforminger.
Posisjonen til hullene som boltene og splintene skal stå i for å feste z-platen og verktøyfestet
sammen bestemmes under produksjonen av maskinen.
Figur 24 Eksplodert visning av y-vogn og z-akse
38
Figur 25 Reaksjonskrefter og modell av z-aksen og y-vognen i maskinposisjon VIII
39
Figur 26 Reaksjonskrefter og modell av z-aksen og y-vognen i maskinposisjon X
Teori
Figur 25 og Figur 26 viser z-aksen og y-vognene med en kraft på verktøyet og reaksjonskreftene som
virker på de lineæreføringene/støttene. I posisjon VIII, Figur 25, vil z-aksen, verktøyfestet og yvognen bøye seg, men siden all kraften havner på feste d som igjen er den lineære føringen som er
nærmest x-rammen på maskinen, så vil det ikke bli et moment om y-rammen og den vil ikke vri seg. I
posisjon X vil bare den utstikkende delen av verktøyfestet være interessant i forhold til defleksjon,
men det vil bli et moment om y-rammen så den vil vri seg. Spørsmålet er hvilket tilfelle som vil gi
størst defleksjon siden det ikke er tid til å regne på alle posisjoner. Det velges å regne på posisjon X.
40
Beregninger
Figur 27 Illustrasjon akser verktøyfeste
I Figur 24 ser vi at verktøyfestet har en tynn del som stikker ut, der skal verktøyet være i kontakt med
arbeidsstykket. Siden geometrien er så ulik på denne delen i forhold til resten av verktøyfestet er det
fornuftig å anta at også treghetsmomentet her er forskjellig. Da blir modellen mer avansert med en
gang så hvis vi kan forenkle den er det praktisk. Siden formelen for treghetsmomentet av et
rektangel ser ut som:
Belastning i x-retning, om y-aksen
Siden høyden, h, opphøyes i tredje så undersøkes det hvor mye selve platen bidrar til
treghetsmomentet på den utstikkende delen og resten av platen.
Avstiverne bidrar med:
Avstiverne bidrar nesten 22 ganger mer til stivheten enn platen på hoveddelen og 102 ganger mer på
den utstikkende delen. Derfor neglisjeres platen i beregningene om y-aksen og forenkler modellen
som vist i Figur 28
Figur 28 Forenkling av verktøyfeste
41
Siden modellen i Figur 26 ennå gjelder så blir formlene for defleksjon som vist i Figur 29 og Figur 30.
Det er som er interessant siden det er defleksjonen av verktøyet og gir utrykket for hvor stor den
er på verktøyet, . Siden
er kjent så får vi følgende utrykk for defleksjonen i x-retning
( )
Figur 29 Utledning av formler for defleksjon, del1
42
Figur 30 Utledning av formler for defleksjon, del2
Belastning y-retning, om x-aksen
For belastninger om x-aksen, se Figur 27, så gjøres samme forsøk på forenkling som for belastning i xretning. Her vil ikke avstiverne bidra så mye, men det er ønskelig å forsøke å forenkle enda mer.
Målet blir å kunne se på den utstikkende biten som om den var montert fast i et stivt legeme, se Feil!
Fant ikke referansekilden.. Om x-aksen får vi følgende treghetsmomenter:
Siden
er 37 ganger større enn
så ignoreres avstiver bidraget.
er
102 ganger større enn
pga. dette så blir kan modellen forenkles som vist i Figur 31. Formel
for defleksjon blir utledet i Figur 32.
43
Figur 31 Forenkling verktøyfestet belastning i y-retning
Figur 32 Utledning av formel for defleksjon for utstikkende del av verktøyfestet under belastning i y-retning
44
Siden
er kjent så blir formelen som følgende:
Defleksjon i z-retning
Defleksjon i z-retning blir kompresjon av verktøyfestet så + bidraget fra defleksjonen i x- og y-retning.
Siden dette blir svært lite så regnes det ikke på det.
Oppsummering
y-vognen lages i dimensjonene 540x300x8 mm for å kunne gi støtte til den ekstra lengden på de
lineære føringene selv om den ekstra lengden ikke blir utnyttet av maskinen på nåværende
tidspunkt. Hull i verktøyfestet og z-platen for å feste disse sammen blir plassert under produksjonen
av maskinen. For beregninger på defleksjon så blir det følgende formler i de forskjellige retningene:
Det regnes ikke på defleksjon i z-retning siden det er antatt å bli ubetydelig liten på denne delen.
45
3.2.5 y-aksen
Figur 33 y-rammen med lineære føringer montert
y-rammen består av to 150x100x5mm profiler som står på høykant oppå hverandre og er sveist
sammen langs kantene. Den korte profilen er 1900mm lang og den lengste 2400mm. Utstikket som
vises i Figur 33 er der for å kunne montere kabel kjede til kablene til z-aksen, se kapittel 0
Rammer, begrensninger, og hensyn
Rammen skal ha y-vognen gående frem og tilbake på seg og den skal strekke seg over hele
skjærebordet + litt til. Skjærebordet er 1500mm bredt, og for å ta høyde for irregulære plater,
former, store verktøy, osv. så legges det på 50mm på hver ende som resulterer i 1600mm. y-vognen
er 300mm bred og midt på den er verktøyet sentrert. Hvis man betrakter verktøyet som uendelig
smalt så betyr at det er nødvendig med 150mm ekstra på hver side for å kunne bevege verktøyet fra
y = 0 til y = 1600mm. Y-rammen må da være minst 1900mm lang.
Det er oppgaveskriver som skal sveise rammen sammen og siden det kan bli varierende kvalitet på
selve sveisen så er det tryggest å modellere rammen som to profiler og ikke som en.
Treghetsmomentet blir altså 2 x treghetsmomentet til en av aluminiumprofilene.
Siden y-rammen er montert på fester som igjen er montert på lineære føringer så kan festene regnes
som pin fester siden de lineæreblokkene kan rotere om aksen på de lineæreføringene.
Det er verktøyet sin defleksjon relativt til skjærebordet vi er interessert i. Når verktøyet står i posisjon
VII og V så er avstanden så liten til festene at defleksjonen kan neglisjeres. Derfor blir det bare regnet
på når verktøyet står i posisjon VI. Siden det er en viss avstand mellom festene vil det bli regnet på
ren defleksjon i x- og z-retning, og rotasjon om y-aksen som følge av belastning på verktøyfestet i z og
x-retning som vil bidra til at verktøyet flytter seg i både x- og z-retning. Belastning i y-retning vil ikke
gi stor deformasjon siden den blir ren kompresjon av rammen. Derfor regnes det ikke på den.
Figur 34 Matematisk modell av y-aksen med maskinposisjoner markert
46
Beregninger
Belastning i x-retning
Figur 35 matematisk modell av y-aksen sett fra x-z-planet med kreftene og momentet som virker. F er kraften fra
arbeidsstykket som virker på verktøyet
Pga. y-rammen sin støtte/feste til de lineære føringene på x-rammen som er kontinuerlige så kan
rammen modelleres slik som vist i Figur 35. Her er også reaksjonskreftene fra verktøyfestet når de
blir belastet tatt med, se Figur 26. I tillegg så beveger maskinen seg frem og tilbake mens den
arbeider og da kommer det en akselerasjon inn i bilde som med massen til y-vognen og det som er
festet på den gir en kraft som virker på bjelken.
er den største kraften så det er den det regnes på. Siden sveisekvaliteten kan være dårlig regnes
det på verst mulig senario, at den nederste profilen må ta all belastningen selv. Dermed regnes
treghetsmomentet fra en bjelke.
For utregning av defleksjon pga. nedbøyning av rammen er det brukt en formel fra side 70-71 (Lemu,
2013). Se Figur 36
47
Figur 36 Nedbøyning av y-rammen og formel for maks defleksjon kilde formel (Lemu, 2013)
Vi kjenner
da blir formelen for defleksjonen:
Belastning i z-retning
Belastningen i z-retning er verktøykraften og vekten av y-vognen og det som er festet på den,
representert ved
. Beregningen av defleksjon er lik den for belastning i x-retning, men
treghetsmomentet og kraften byttes ut. Treghetsmomentet regnes som treghetsmomentet til en
aluminiumprofil ganger 2 side sveisekvaliteten ikke nødvendigvis er bra. Dermed blir formelen for
defleksjonen:
48
Moment om y-aksen
Om aksen virker det også et moment pga. kraften som fungerer på verktøyfestet, se kapittel 3.2.4.
For vridning av rammen om y-aksen, pga. momentet, så regnes hele rammens høye, begge profilene
sveis sammen til et stykke når man skal regne ut det polare treghetsmomentet.
For utregning av defleksjonen pga. y-rammen sin vridning så brukes det formel funnet på side 229 i
(R.C.Hibbeler, 2011) Se Figur 37
Vridningen om y-aksen er det litt mer komplisert en de foregående utregningene da man først må
regne ut vinkelen, , til vridningen. Når man har
så må man finne ut avstanden fra
senter/aksen det dreies om, og ut til verktøyet. Så må man finne vinkelen mellom og x-aksen.
Modellen tar bare hensyn til momentet om y-rammen og da forblir konstant etter at aksen har vrid
seg. Vinkelen mellom og x-aksen forandrer seg når aksen vris og ved å bruke
til den nye
vinkelen multiplisert med får man de nye posisjonene i x, og z-retning. Trekker man da fra
originalposisjonen så har man defleksjonen pga. vridning. Se Figur 37 og for modeller og formler.
Figur 37 Formler og modeller relevant for utregning av defleksjon pga. vridning av y-aksen kilder: (R.C.Hibbeler, 2011)
(www.engineeringtoolbox.com, u.d.)
De endelige utrykkene for defleksjon pga. vridning ser da sånn ut:
(
(
)
(
))
(
(
)
(
))
Momentet er gitt med verst tenkelig verktøybelastning. Her virker det en kraft nedover på
verktøyet noe som gir et lite trolig senario, men mulig. Det velges at kraften i z-retning skal fungere
nedover i modellen siden kraften da vil bidra til å øke momentet og ikke minske det. Se Figur 38.
49
Figur 38 Illustrasjon av momentet om y-aksen
Oppsumering
y-rammen består av to 150x100x5 aluminiumprofiler som er sveist oppå hverandre på høykant. Den
øverste profilen stikker ut til den ene siden sånn at det kan monteres kabelkjede på den. Rammen
må være 1900mm lang for at verktøyet skal kunne bevege seg over hele skjærebordet. Siden
sveisene er litt relative så regnes profilene som ikke sveist sammen under beregning av defleksjon
pga. kraft i x og z-retning.
Formlene for de enkelte defleksjonene ble som følger:
Kraft i x-retning:
Kraft i z-retning
Moment om y-aksen
(
(
)
(
))
(
(
)
(
))
Det regnes ikke på belastning i y-retning da dette vil gi svært lite defleksjon siden det blir ren
kompresjon.
50
3.2.6 x-aksen
Figur 39 x-aksen
Rammer, begrensninger, og hensyn
x-rammen er festet i skjærebordet med tre fester, se Figur 39, og de regnes som faste punkt.
Maskinen trenger et arbeidsområde på x-aksen på minst 2000mm. I tillegg så må festet mellom x- og
y-aksen få støtte, og avstanden i x-retning mellom y-aksen og verktøyet må også tas med. Se Figur 40
for forklaring. Festet krever 300mm og det må det tas hensyn til. x-aksen må være 2300mm lang for
å kunne oppnå 2000mm med bevegelse. Verktøyet krever 166mm i følge Figur 40, for å treffe kanten
av skjærebordet når y-aksen kjøres helt til høyre, x = 0. Det er derimot ikke nødvendig med hele
166mm. Plasmakutteren som er det verktøyet som trenger hele skjærebordet er ikke avhengig av å
stor høyde i z-retning. Derfor kan verktøyet monteres sånn at det stikker inn under z-aksen og yvognen. Da holder det med 100mm. x-aksen må derfor være 2400mm lang, og x-rammen blir derfor
så lang.
Figur 40 Oversikt over hvor mye festet mellom x- og y-aksen og avstanden til verktøyfestet bygger ut i lengen av x-aksen
Det regnes på defleksjon i y-retning for alle maskinposisjonene, se Figur 41. For posisjon I og III
regnes det ikke på defleksjon i z-retning. Dette siden det da regnes at maskinen sår rett oppå festet
og defleksjonen kan da neglisjeres. Figur 40 viser hvordan maskinen står når den er i posisjon III. Det
regnes ikke på defleksjon i x-retning.
51
Beregninger
Figur 41Matematisk modell av x-rammen med maskinposisjoner markert.
Defleksjon i y-retning
Det er to forskjellige defleksjoner som skal beregnes for x-rammen. Den ene er bare gjeldende i
posisjon II. Det er den «vanlige» defleksjonen som har blitt beregnet for andre deler av maskinen, se
forklaring lengre nede i teksten. Den andre er at x-rammen sett i yz-planet får en defleksjon fra
toppen av profilen til bunnen. Se Figur 42.
Figur 42 x-rammen sett fra yz-planet, med kraftens angrepspunkt plassert oppe på den lineæreføringen på toppen av xrammen
Kraften P er lik halvparten av kraften som virker på skjæreverktøyet og kraften som går med for å
akselerere y-vognen og det som er festet på den.
Rammens dimensjoner er kjent. De horisontale delene oppe og nede på profilen regnes som stive
legemer. Da er det bare de vertikale delene igjen til å regne treghetsmomentet av, og
treghetsmomentet blir da som følger:
52
Angrepspunktet for kraften P er 22,5mm over x-rammen. Defleksjonen blir da som følger:
(
( (
)
)
)
For posisjon II får man samme matematiske modell som vist i Figur 36. For aluminiumprofilen så er b
= 150, h = 100, t = 5m og treghetsmomentet blir:
(
)(
)
L = 960 mm og defleksjonen blir da:
Defleksjon i z-retning
For posisjon II så blir defleksjonen i z-retning regnet på samme måte som for defleksjon i y-retning.
Kraften som virker er halvparten av kraften som virker på skjæreverktøyet og vekten av y-rammen og
alt som er montert på den.
Treghetsmomentet blir annerledes bår b = 100, h = 100, og t = 5:
(
)(
)
Defleksjonen blir da:
Defleksjon i x- og z-retning
y-aksen står i posisjon IV så vil belastning i x-retning på verktøyet skape et moment som vil påføre en
kraft på den utstikkende delen av x-rammen, se Figur 43.
Da får man et tilfelle av modellen vist i Figur 29 og Figur 30. Dette gjør at man kan ta formelen for
defleksjon derfra. Armen til kraften i Figur 43 er 145mm, og treghetsmomentet er ennå
. Utrykket for kraften blir:
For defleksjonen av angrepspunktet til kraften P blir formelen,
og
:
53
Figur 43 y-aksen i posisjon IV
Siden y-aksen her står rett oppå en støtte så blir det ikke defleksjon i x-aksen til slutt, men defleksjon
i x-retning. Se stiplede sorte linjer i Figur 43. Nøyaktig verktøyposisjon i den ferdige maskinen er ikke
bestemt ennå, derfor regnes det på verst mulige alternativ. Fra Figur 40 vet vi at avstanden fra yrammen ut til ytterkanten av verktøyholderen er 166mm i x-retning. Avstanden i z-retning er 145mm.
Da blir defleksjonen i x retning:
(
(
(
))
(
))
(
(
(
))
(
))
Oppsummering
Maskinen får følgende defleksjoner når den blir belastet med en kraft i.
y-retning
og
z-retning
x-retning:
(
(
(
))
(
))
(
(
(
))
(
))
P er gitt med formelen under Beregninger på de foregående sidene.
54
3.2.7 Endefeste x-akse til skjærebord
Figur 44 Endefeste x-akse til skjærebordet
Rammer, begrensninger, og hensyn
Endefestet blir sveist på x-rammen, og skrus fast i skjærebordet. Det regnes at delen ikke deformeres
i y-retning siden det blir ren kompresjon eller tøyning(avhengig av hvilken side på bordet det er.)
Belastning i x-retning fordeles over alle festene, også midt festet. Beregningen av formelen for
defleksjonen i x-retning gjøres i dette delkapittelet. I z-retning så gjøres det beregninger for maskinen
i posisjon I og II.
Beregninger
Belastning i x-retning
Belastningen i x-retning kommer av kraften som virker på skjæreverktøyet og akselerasjonen av yrammen og alt som er montert på den. Den blir fordelt over to x-akser. På hver x-akse er det 2
endefester og et midtfeste. Kraften på hver x-akse(i realiteten på hver motor), blir da:
Avstanden mellom x-aksen og skjærebordet er 50mm i y-retning, se Figur 45. Derfor blir det lengden
av aksen. Den får arbeide over. Siden treghetsmomentet her varierer med avstanden fra
skjærebordet siden høyden av profilen varierer ved den, så blir defleksjonen regnet ut ved en
numerisk tilnærming. Avstanden mellom Skjærebordet og x-aksen deles opp i små biter og det
regnes ut defleksjonen for hver av disse små bitene med sitt treghetsmoment.
∑
(
(
(
)
)
(
(
(
) (
)
(
)
))
)
For en forklaring av prinsippet se neste side.
55
Figur 45 Avstand mellom skjærebord og x-akse
Belastning i z-retning
Delen er komplisert å regne på siden treghetsmomentet varierer pga. av at høyden varierer, se Figur
44. For å regne ut defleksjonen så bruker man derfor en numerisk tilnærming. En numerisk
tilnærming går ut på å finne en måte å løse et problem som man ikke har en ordentlig nøyaktig
løsning på ved å bryte problemet ned å finne en tilnærmet korrekt løsning. Numerisk integrasjon er
en form for numerisk tilnærming. Problemet med denne delen er et godt utgangspunkt for å forklare
hvordan dette fungerer.
Det regnes at festet sitter fast i skjærebordet som igjen regnes som et stivt legeme. Pga. dette så er
det følgende to formler for defleksjon som er interessante:
(
)
Det konkrete problemet er: Høyden varierer, derfor varierer treghetsmomentet. Formelen er bare
utledet for et konstant treghetsmoment.
Først av alt så forenkles den fysiske modellen som vist i Figur 46.
Figur 46 Forenkling av den fysiske modellen
Den fysiske modellen er nå to plater som har en høyde som har funksjonen:
56
Man kan dele opp festet i to deler. Så lar man høyden av hver del være snittet av høyden for den
delen. Se Figur 47.
Figur 47 Numerisk tilnærming av høyden til endefestet
Hvis man regner ut defleksjonen for hver del så får man en tilnærming av defleksjonen. Denne
tilnærmingen vil avvike en del fra den egentlige verdien. For å få en bedre tilnærming så deler man
delen opp i flere deler. Jo finere man deler den opp jo bedre tilnærming får man, men jo flere deler
blir det å regne på. En slik tilnærming vil etter hvert konvergere. Det betyr i praksis at du når en
grense der det ikke utgjør nevneverdig forskjell å dele delen opp i mindre deler. Dette er det viktig å
være klar over når man utarbeider matematiske modeller for bruk i datamaskiner. Det er lett for en
nybegynner å tenke at her er det bare å pøse på med finest mulig oppløsning av alt når man skal
gjøre utregninger. Problemet blir når det er store programmer som skal kjøres, som for eksempel
hovedskriptet for utregninger knuttet til denne rapporten. Det å finne når rekken konvergerer er
derfor viktig. I dette tilfellet så settes grensen til 2.5%. Det betyr at når det er 2.5% endring mellom
denne oppløsningen og den forrige så godtas det som godt nok. Dette oppnås ved 40 deler, se Figur
48. Det gir en størrelse på hver del på 150/40 = 3.75 mm.
Figur 48 Konvergeringskurve fra matlabskriptet konvergering. Regnet ut for endefestets defleksjon
57
Matematisk så ser formelen for defleksjonen ut som dette:
∑
(
(
(
)
)
(
(
) (
(
(
)
))
)
)
I Matlab så blir koden som dette:
%% Ende fester bord
% Regner ut stivheten sånn at jeg bare kan multiplisere med kraften for å
% få defleksjonen. Bruker en numerisk tilnærming se mer informasjon i
% bachelor oppgaven under:
ress=1; % oppløsning
x = (1:3.75:100);
y = 150-tand(40)*(x-ress/2);
L=150;
t = 5;
%mm
a = 1/(E.alu*t);
stivhet=[];
for i = 1:length(x)
if i == 1
stivhet(i) = a*(x(i))^2*(3*L-x(i))/((y(i))^3);
else
stivhet(i)= stivhet(i-1)+a*([(x(i))^2*(3*L-x(i))]-[(x(i-1))^2*(3*L-x(i-1))])/y(i)^3;
end
end
%Henter ut den siste verdien
Stivhet.feste_bord_ende = max(stivhet);
clear stivhet
% Multipliserer med kraften for å få ut defleksjonen i de gitte senarioene
Utdrag 1 Utdrag av Matlab filen Defleksjon.m Viser hvordan den totale «fjærstivheten» til endefestet regnes ut
I Matlab koden så regner man ut den inverse av «fjærstivheten» (
) til endefestet.
.
Dette siden kraften som virker på festet varierer alt etter hvordan maskinposisjonen er. Det er nå
bare å multiplisere med rett kraft for å få defleksjonen på de ulike posisjonene.
Tilbake til regnestykket i oppgaven så får det også ulik belastning alt etter maskinposisjonen. Det er
interessant å regne på posisjon I, II, og IV, hvor I og IV er like.
For posisjon I og IV så tar det enkelte festet hele belastningen, men det er et feste på hver side.
For posisjon II så deler endefestet og midtfestet på belastningen:
58
Oppsummering
Endefestet er en ekkel del å regne på siden den har en varierende høyde og derfor også et varierende
treghetsmoment. Dette skaper kluss når man prøver å bruke vanlige formler for defleksjon til
beregningene. Løsningen er å bruke numerisk tilnærming, numerisk integrasjon. Da blir det mulig å
komme frem til følgende formler for defleksjon:
Ved belastning i x-retning av størrelsen:
Så blir defleksjonen i x-retning for alle festene i alle maskinposisjonene for x-aksen:
∑
(
(
)
(
)
(
(
(
) (
)
(
)
))
)
Dette er for både endefestene og midt festene. For å unngå repetisjon så settes bare den ferdige
formelen inn i kapittelet om midtfestet.
For z-retning er formelen for defleksjon av endefestet:
∑
(
(
(
)
)
(
(
) (
(
(
)
))
)
)
Hvor lasten er henholdsvis:
og
alt etter posisjonen til y-aksen.
Utrykkene for defleksjon er kompliserte å regne ut for hånd, men lar seg lett regne ut ved hjelp av
datamaskin.
59
3.2.8 Midtfeste x-akse til skjærebord
Figur 49 Midtfestet
Midtfestet er kanskje den enkleste delen på hele maskinen.
Den består av en 80mm lang avkappet del av 150x100x5 aluminiumprofil som resten av rammen er
lagd av. Det er i tillegg boret 4 hull i den, 3 til bolter og 1 til en splint. Grunnen til at den er
annerledes enn endefestene er at den skal festes på kanten til skjærebordet. Kanten er bare 80mm
høy. Endefestene står ovenfor beina til skjærebordet og får støtte utover selve kanten ved at de
festes til beina også, dette er ikke mulig for midtfestet. Grunnen til at høyden er 80mm er at hvis det
blir aktuelt å flytte festene opp sånn at de er på samme høyde med bordflaten til skjærebordet, så
kan de dra nytte av hele høyden til kanten på bordet.
Av beregninger så er det belastning i x-retning som regnet ut i det foregående kapittelet, og
belastning i z-retning. Det er maskinposisjon II og III som er interessante med tanke på z-retning.
Beregninger
Belastning i x-retning
Uttrykk forklart i kapittel 3.2.7 Endefeste x-akse til skjærebord:
Ved belastning i x-retning av størrelsen:
Så blir defleksjonen i x-retning for alle festene i alle maskinposisjonene for x-aksen:
∑
(
(
(
)
)
(
(
(
) (
)
(
)
))
)
60
Belastning i z-retning
For belastning i z-retning så blir formelen for defleksjon:
L = 100 og lasten er i de to tilfellene II og III gitt ved formlene:
og
F står for kraften som virker på skjæreverktøyet, g er gravitasjonen, 9.81, og
y-rammen og det som er montert på den.
er massen til
Oppsummering
Midtfestet er en relativt enkel og grei del sett i forhold til de andre delene på maskinen. Formlene for
defleksjon med tilhørende krefter er som følger:
Defleksjon i x-retning:
∑
(
(
(
)
)
(
(
(
) (
)
(
)
))
)
Defleksjon i z-retning:
L = 100 og lasten er i de to tilfellene II og III gitt ved formlene:
og
61
3.2.9 Feste x-akse til y-akse
Dette festet forbinder y-rammen med de lineære blokkene som går på de lineære føringene på xrammen. Det består av to stykk aluminiumprofiler som er sveist oppå hverandre. y-rammen vil bli
sveist på der som aksene nå vises, og de lineære blokken skrus fast gjennom hullene i bunn av platen.
Det er tenkt gjennom at y-rammen vil komme oppå hullene. Planen er at hullene borres videre
gjennom den nederste veggen i y-rammen. Så stikker man hånden inn i y-rammen sin nederste profil
som vil ha en åpning på 14x90mm, for å skru fast den lineære blokken. Det skal brukes skruer med
innvendig umbrakospor. Da vil det være lettere å skru de fast med en umbrakonøkken hvis man ikke
har en skralle tilgjengelig.
Utformingen er valgt siden den er enkel å produsere og det er store flater å feste instrumenter på i
ettertid.
Festet regnes som et stivt legeme så det regnes ikke på defleksjon. Dette siden defleksjonen vil
komme som kompresjon eller strekk. Den antas å være så liten at det velges å ikke regne på den.
62
3.4 Lineære føringer og bevegelse
Dette er en presisjons maskin, selv om presisjons kravet ikke nødvendigvis er så stort, ±0.5mm. Det
hjelper lite om rammen til maskinen er aldri så stiv. Ikke en gang om den er å stiv at maskinen ikke vil
bøye seg mer enn en nanometer med ett tonn belastning på skjæreverktøyet. Dette hjelper ingenting
hvis de lineære føringene til maskinen får den til å danse bortover som et skateboard på vei over en
ferist. Det hjelper heller ikke om maskinen ikke beveger seg jevnere enn som er i ferd med å ta
lappen og ennå ikke helt har lært hvordan kløtsjen fungerer. Poenget er at det ikke er likegyldig hva
som sørger for bevegelsen til maskinen, og hvordan bevegelsen er lagret opp. Derfor er dette kapitlet
viktig.
3.4.1 Lineære føringer
Lineære føringer er ofte litt som jernbaneskinnene til et tog. De holder maskinen på plass, men har
støtte under siden de ikke er stive nok til å bære hele maskinen selv. Det finnes en rekke løsninger i
ulike både pris og funksjonsklasse. Noen er spesialisert for støvete omgivelser, noen for varme
omgivelser. Noen kan ta store belastninger, men bare fra en retning, mens noen kan ta belastninger i
alle retninger.
For denne maskinen ble det vurdert en rekke alternativer. Det ble ikke satt et veldig stort krav til
nøyaktighet. En presisjon på 0.05mm ble regnet for godt nok. Løsningen burde takle støv over tid
siden det slipes en del med vinkelsliper på sveiseverkstedet. Det må være rom for å finjustere
løsningen siden det er sannsynlig at den blir utsatt for slag under montering og lagring. Løsningen må
også tåle belastningene maskinen blir utsatt for. Derfor settes 500N som et krav til belastning.
Løsningen kan heller ikke koste for mye.
Det ble vurdert tre forskjellige løsninger som blir presentert her.
Løsning 1 Presisjonsslipte stålakslinger
Presisjonsslipte centerless stålakslinger med støtte, som det går kulebøssinger på. Den
presisjonsslipte herdede stålakslingen er festet til aluminiumstøtten med skruer, se Figur 50. På
kanten av profilen er det også hull som brukes til å feste den på rammen. På akslingen går det en
kulebøssing som står i en aluminiumsblokk. Blokken festes ved skruer til dem man ønsker å ha
gående på den lineære føringen.
Denne løsningen har oppgaveskriver positive erfaring med fra tidligere. Den er middels solid, lett
tilgjengelig med reservedeler osv., mye brukt, men liker ikke støv så godt. Støv problemet kan løses
med å bruke glidebøssinger i stedet for kulebøssinger siden problemet i all hovedsak er at det samler
seg støv mellom kulene og at de går i stykker pga. det. Lagrene koster ikke mer enn ca. 20 kroner per
sett heller, så hvis man må bytt en gang i året så koster det 20kr*12 = 240kr ( yibiaoxin1982,
ebay.com selger, u.d.). Denne løsningen havner på ca. 5000kr inkl. frakt.
Fordeler: Billig i anskaffelse, mange leverandører, billige slitedeler, kan lett justeres ved bruk av
shims og de mange skruene den er festet med. Blokkene kan også rotere litt om akslingen sånn at
monteringsvinkelen ikke er så viktig for slitasjen på føringen.
Bakdel: Løsningen bygger mye i høyden noe som passer dårlig hvis det er ønskelig med et kompakt
design. Den er også utsatt for støv noe som kan føre til havari.
63
Figur 50 Til venstre undersiden av støtten, til høyre den lineære føringen montert på x-rammen
Løsning 2 Kuleskinner
I likhet med løsning en er det en vogn med en kulebøssing som går på en skinne, men denne gangen
er skinnen ikke en rund aksling, men ser mer ut som en togskinne. Den har de samme utfordringene i
forhold til støv som løsning nr.1. De store forskjellene fra løsning nr.1 er at de bygger mindre i
høyden, og at de stiller høyere krav til monteringen siden vognene ikke kan rotere om skinnen.
Løsningen takler heller ikke belastning fra sidene, eller vridning om bevegelsesaksen spesielt godt.
Denne løsningen blir betydelig dyrere enn Løsning nr. 1
Løsning 3 firkantrør og kulelager
Figur 51 Tversnitt av løsning nr 4. Demonstrerer sveis sammenføyning på høyre side, og vinkel stål og skruer på venstre
side.
64
Løsningen baserer seg på at man tar to firkantrør og sveiser dem sammen som vist i figuren. Så lager
man en vogn som har fire kulelager som er i kontakt med den øverste profilen, og fire som er i
kontakt med den nederste profilen. Siden lagrene står 90 grader på hverandre på hver side, så vill de
holde vognen på plass med god presisjon. Dette er bare en løsning for en CNC-plasmakutter, ikke en
CNC-fres. Dette siden løsningen mest sannsynlig ikke blir stiv nok til å unngå å «sige» betraktelig i zretning. Denne løsningen vil ha stor toleranse for støv. Den vil også bli billigere enn løsning 1 og 2,
siden den bruker selve konstruksjonsmaterialet til rammen som føring. Den store variabelen her er at
løsningen for x-aksen involverer å sveise eller skru sammen to rør meget presist. Å sveise blir
sterkest, å skru blir mest presist. Uansett metode så er ikke noe oppgaveskriver vurderer at han vil få
til spesielt godt.
Konklusjon
Løsning 1 blir valgt siden den oppfyller alle kravene og ikke er for dyr i innkjøp. Oppgaveskriver har
også erfaring med løsningen fra tidligere, noe som anses som en fordel. Løsningen er blitt brukt på
oppgaveskrivers 3D-printer som har stått i et støvfylt miljø i ett år nå. Partiklene har variert fra fint
slipestøv til sagspon. Kulebøssingene har hatt behov for å bli smurt et par ganger, og akslingene har
blitt tørket av når det har vært som verst. Utenom dette så har ikke annet vedlikehold vært
nødvendig. Hvis det skulle vise seg at det blir et problem med støv, så er det flere alternativer til
selve kulebøssingen på markedet som kan brukes.
65
3.4.2 Lineær bevegelse
Like viktig som at bevegelsen går i de aksene man ønsker så er det at den er så stor som man hadde
planlagt. For å sørge for at maskinen beveger seg forutsigbart så er det allerede valgt stepper
motorer, se kapitel 2.2.3 Motorer. Motorene beveger seg kontrollert og nøyaktig, men en motor som
ikke er koblet til noe vil ikke skape bevegelse.
For å skape bevegelsen så er det mange alternativer, og det er kjapt diskutert 3 av dem nedenfor.
Kuleskruer
Kuleskruer er skruer, med gjenger, men har litt spesielle gjenger. De er beregnet på at det skal gå en
spesiell mutter på dem som gjør at de har nesten ingen dødgang. Dette er en kjempe fordel for en
maskin som skal bevege seg frem og tilbake mye under arbeid. Dødgang her vil gjøre at det som
skulle være jevne kurver vil få rette partier når en akse snur retning, og kuttene blir unøyaktige.
Kuleskruer kan ha en rekke forskjellige stigninger og har lav friksjon, så det brukes ikke for mye kraft i
å overføre rotasjonen til motoren, til bevegelse i maskinen.
Bakdelen med kuleskruer er at de er det dyreste alternativet til lineær bevegelse. Oppgaveskriver
greier heller ikke å lage dem selv.
Trapesgjengestenger
Gjengestenger med trapsegjenger fungerer ganske likt som kuleskruer. Forskjellen er skruen ser mer
ut som en vanlig skrue enn kuleskruen kan gjøre. Forskjellen fra vanlige gjenger er at selve gjengene
sin profil ikke er en trekant, men nettopp et trapes. De kan overføre større krefter enn vanlige
gjenger og brukes blant annet til den automatiske matingen på dreiemaskinen på elevverkstedet. De
har ikke automatisk lite dødgang, men oppgaveskriver bruker dem på sin 3D-printer uten problem.
For å få til dette så har oppgaveskriver lagd muttere i nylon. Nylon er elastisk og når gjengene blir
kuttet så blir selve hullet litt mindre enn det egentlig skal. Når man setter mutteren på gjengestangen
sitter den meget godt, og med litt olje på så glir den med liten friksjon. Oppgaveskriver har både
gjengesnitt og gjengetapp til Tr10x2 trapesgjenger og kan derfor lage dem. Det beste er allikevel å
kjøpe rullede gjengestenger siden overflaten på disse vil være glattere enn dem man skjærer til selv.
Bakdelen med trapesgjenger er at det er mer friksjon enn med kuleskruer. Derfor må man ha
kraftigere motorer. For å kunne oppnå de ønskede hastighetene på maskinen så må man også ha
trapesgjenger med stor stigning. De blir dimensjonen fort stor også, og de ender opp med å veie
mye. Det vil i så fall gå utover hvor lett det er å montere og demontere maskinen. Alternativet er å
kjøre et veldig høyt turtall på stepper motoren, men da faller momentet motorene kan levere også,
og de vil raskt kunne miste steg.
Beltedrift
Å bruke belter med tenner er det tredje alternativet som blir vurdert. Løsningen fungerer ved at et
reimhjul festes på stepper motoren, og et reimhjul på andre siden av aksen man skal drive. Så festes
en reim mellom hjulene og for eksempel y-vognen feste på reimen igjen. Når motoren nå roterer så
vil den flytte y-vognen frem og tilbake alt etter rotasjonsretning. Denne løsningen er det billigste
alternativet. Det brukes på alt fra 3D-printere til CNC-freser som freser i MDF og annet
plantemateriale. Løsningen oppnår høye hastigheter ved lav rotasjonshastighet på motoren noe som
gjør at man kan utnytte motoren når den gir mest moment i forhold til strømmen som går gjennom. I
66
motsetning til de to andre løsningene så er denne løsningen svært lett. Den vil heller ikke få
problemer med støv.
Bakdelen er at den er sårbar for større gjenstander som kan sette seg fast. Selve beltet er også mer
elastisk enn gjengestengene. Det må derfor velges et som er stål forsterket for å hindre at det går
utover presisjonen. Beltet må også holdes stramt noe som gjør selve monteringen noe mer
komplisert enn for alternativene.
Konklusjon
Det velges beltedrift for x og y aksen på maskinen. Dette siden det ikke utgjør en stor innvestering,
estimeres til ca. 1500kr, og lett kan byttes ut med andre alternativer senere. Løsningen oppfyller
kravet til fart og kraftoverføring, men kan bli noe i det minste laget hvis det skal freses i tre.
For z-aksen velges det trapesgjenger. Dette side denne aksen ikke trenger å bevege seg spesielt raskt.
Det er derimot viktigere å kunne holde posisjonen. Det gjør den økte friksjonen og giringer med
trapesgjenger.
Radiusen til reimhjulet blir 7.5mm. Dette er funnet etter å ha brukt Matlab funksjonen
«Stepper_motor_kalkuleringer.m». Funksjonen regner ut alt som er relatert til stepper motorene på
bakgrunn av parametere satt i hovedfilen. Et utdrag av funksjonen er presentert nedenfor.
% Finner ut hvilken kraft som er størst og fortsetter utregningene
P.motor_x = (P.plasma.x*(1-krav.p_eller_f)+ P.fres.x*krav.p_eller_f);
P.motor_y = (P.plasma.y*(1-krav.p_eller_f)+ P.fres.y*krav.p_eller_f);
F_beregninger = max([P.motor_x P.motor_y]);
%% regner på maks
r_maks_kraft = motor.x.T*elektro.motor.dyn_faktor/F_beregninger; %M
r_test = 0.0075;
if r_test > r_maks_kraft
error_tekst = {'Valgt størrelse av tannhjulet er større enn maks størrelsen'
'Maks størrelse av tannhjulet er :' num2str(r_maks_kraft) 'mm'
'Du har angitt størrelsen til å være :' num2str(r_test) 'mm'
'Dette går ikke med disse motorene med de angitte krav til akselerasjon, toppfart,
og styrke'};
error(error_tekst)
end
krav.moment = F_beregninger*r_test/elektro.motor.dyn_faktor;
motor.x.I_krav = motor.x.I/motor.x.T*krav.moment;
motor.x.rps = (elektro.PSU1.Vkrav.spenning_tap_ledning)/(motor.x.L*2*motor.x.I_krav)/(motor.x.steg);
motor.x.v_mulig = motor.x.rps*2*r_test*pi ;
% m/s maksimal hastighet mulig ved
fullt moment
motor.x.opplosning = (r_test*2*pi)/200*1000; % oppløsningen i hele steg, blir 10 ganger
finere med mikrosteppingen
motor.x.dyn_kraft = motor.x.T*elektro.motor.dyn_faktor/r_test; % Kraften motoren kan
levere med test radiusen
end
Utdrag 2Utdrag av Stepper_motor_kalkuleringer.m For hele se vedlegg 1
67
4 Diskusjon av resultater
4.1 Defleksjon
Figur 52 Oversikt over Verktøyposisjonen for senarioene
Tabell 4 Presentasjon av resultatene av utregning av defleksjon med krav for fres. Utregnet ved hjelp av Matlab
samlingen, Vedlegg 1
Akse
X
Y
Z
abs
1
0,337
0,0516
0,00235
0,381
2
0,230
0,0516
0,00241
0,290
3
0,337
0,0525
0,00332
0,382
Senario
4
5
0,230
0,337
0,0525 0,0516
0,00333 0,00390
0,291
0,381
6
0,230
0,0516
0,00366
0,291
7
0,337
0,0516
0,00531
0,382
8
0,230
0,0516
0,00513
0,291
Tabell 5 Presentasjon av resultatene av utregning av defleksjon med krav for plasmakutter. Utregnet ved hjelp av Matlab
samlingen, Vedlegg 1
Akse
X
Y
Z
abs
Senario
1
2
3
4
5
0,0144
0,0144
0,0144
0,0144
0,0144
0,000501 0,000501 0,000512 0,000512 0,000501
0,00236 0,00241 0,00332 0,00333 0,00390
0,0147
0,0148
0,0149
0,0149
0,0150
6
0,0144
0,000501
0,00366
0,0150
7
0,0144
0,000501
0,00279
0,0148
8
0,0144
0,000501
0,00261
0,0148
Alle tallene for defleksjon i Tabell 4 og Tabell 5ligger innenfor kravet til 0.5mm per akse. Dette er
ingen stor overraskelse da maskinen er overdimensjonert flere steder. Det er heller ikke så rart når
det bare er regnet på selve rammen. Hvis andre deler av maskinen som for eksempel de lineære
føringene hadde blitt tatt med så ville tallene for fresen ligget mye tettere opptil grensen på 0.5mm.
Videre gås det gjennom defleksjonen for hver akse for å diskutere hvor defleksjonen er størst, o gom
det kan gjøres noe med det.
68
4.1.1 x-retning
Defleksjonen i x-retning er i begge tilfeller den største defleksjonen. For fresen så er den ca. 50%
større enn for y-aksen, og for plasmakutteren så er den mange ganger så stor. Derfor er dette
kanskje den mest interessante av aksene å studere, siden det her er størst forbedringspotensial.
Bidrag
Defleksjonen i x-retning får bidrag fra defleksjon av:




Festene mellom x-aksen og skjærebordet
y-aksen
Enden av x-aksen, maskinposisjon IV
Verktøyfestet og z-aksen
Senario 1 velges som eksempel. Defleksjonen er da fordelt mellom delene som vist i Tabell 6.
Tabell 6 Oversikt over fordelingen av defleksjonen i x-aksen med maskinen som fres. Tall fra utregninger gjort i Matlab
Del
Defleksjon
Fester x-akse bord
0.3278
y-aksen
0.000060563
Verktøyfeste, og z-akse
0.0095
Totalt
0,337
Her kan man klart se at det er festene mellom x-aksen og skjærebordet som står for det meste av
defleksjonen. Dette kan forbedres ved å for eksempel sveise på plater på festene som vil fungere
som avstivere.
Ikke medregnede faktorer
Beltedrift
x-aksen skal drives med belter, og siden det ikke er helt sikkert hvor elastiske de vil være, så er det
viktig å få ned defleksjonen til rammen først. Hvis festene avstives ordentlig så er det mye mere rom
for beltene sin elastisitet. Det er viktig at det er ordentlig stramming av beltet sånn at det ikke blir
dødgang. Hvis maskinen skal brukes mye som fres så kan det være en ide å montere trapesgjenger,
eller kuleskruer hvis universitetet vil ta seg penger til det.
Festet mellom x- og y-aksen
Det er ikke regnet på festet mellom x- og y-aksen. Det kan være defleksjon her som blir
betydningsfull hvis festene mellom bord og x-akse avstives.
69
4.1.2 y-retning
y-aksen er den andre aksen som har beltedrift. Dette gjør at det er av stor interesse å få minsket
defleksjonen her også. x-aksen har to belter, et på hver side, mens y-aksen bare har ett belte. y-aksen
kan derfor forvente at beltet vil bli strekt lengre enn x-aksen sine.
Bidrag
Defleksjonen i y-retning får bidrag fra:
 x-aksen
 verktøyfestet og z-aksen
Her velges senario 2 for å analysere bidragene
Tabell 7 Oversikt over fordelingen av defleksjonen i y-aksen med maskinen som fres. Tall fra utregninger gjort i Matlab
Del
Defleksjon
x-aksen
0.0341
Verktøyfeste, og z-akse
0.0184
Totalt
0,0516
Bidraget er relativt jevnt fordelt mellom de to kildene. Dette tillater at beltet kan bli strekt litt over
0.4mm uten at det går utenfor kravet på maks 0.5mm defleksjon.
Ikke medregnede faktorer
Beltedrift
Det er ikke sikkert hvor mye beltet vil strekke seg under belastning. Som for x-retning så vil det være
viktig å få det ordentlig strammet. Siden steppermotoren sin akse stikker ut på begge ender av
motoren så kan det være smart å feste
Dødgang i de lineære føringene
Hvis det er dødgang i de lineære føringene så kan det bidra med at hele verktøyfestet og y-vognen
vris om resulterer i merkbar defleksjon på verktøytuppen.
Festene mellom x-akse og skjærebord
Festene blir utsatt for et moment siden kraften angriper toppen av x-rammen se Figur 42. dette vil
føre til defleksjon i x-retning siden enden av festene vil bli bøyd. Lasten i z-retning vil ikke gjøre det
siden y-aksen hoder x-rammene i jevn avstand. vil ikke
70
4.1.3 z-retning
Defleksjonen her er betydelig mindre enn oppgaveskriver fryktet. Siden det brukes
trapesgjengestang til den lineære bevegelsen så er det ikke grunn til å frykte at den skal strekke seg.
Bidrag
Defleksjonen i z-retning får bidrag fra defleksjon av:
 x-aksen
 y-aksen
 festene mellom skjærebordet og x-aksen
Det er her ikke interessant å se på hvor store bidragene er i denne omgang, siden defleksjonen er så
liten. Det er mer interessant å identifisere mulige faktorer som ikke er medregnet.
Ikke medregnede faktorer
4.1.4 Felles ikke medregnede faktorer
Skruer/bolter
Det er ikke regnet på skruer og festemiddel. Dette siden det rett og slett ikke ble tid til det. Det vil bli
valgt overdimensjonerte skruer i alle koblinger, siden større dimensjoner gir større skruehoder.
Oppgaveskriver har erfaring med at større skruehoder gjør det litt vanskeligere å ødelegge
skruehodene, og litt lettere å få tak på dem.
71
4.2 Maskinens spesifikasjoner
Oppgaven var å designe, dimensjonere og konstruere en CNC-plasmakutter som kan brukes som fres
til lettere materialer. Maskinen i seg selv er det viktigste resultatet av rapporten foruten læringen
den har bidratt med for oppgaveskriver. Derfor er det relevant å liste opp hva det ble ut av
rapporten. Hvordan er maskinen som er blitt designet? Hva er rammene til designet?
Maskinen ble, pga. at universitetet ikke kan handle med kredittkort eller tilsvarende løsninger på
nettet, ikke fysisk ferdigstilt før rapportens innleveringsfrist. Den vil allikevel bli ferdigstilt i tiden
etter eksamen og er forhåpentligvis fult fungerende fra og med høsten 2014.
4.2.1 Arbeidsområde
Det er naturlig å se på hvor stort arbeidsarealet og høyden til maskinen er. Dette setter mange av
grensene for hva maskinen kan gjøre. Ikke minst når det er tenkt at den kanskje skal bli utstyrt med
andre verktøy enn den er designet for i dag.
Arbeidsarealet
Maskinen kan fysisk bevege x-aksen 2100mm og y-aksen 1600mm. Hvis man ikke tar hensyn til at
verktøyet kommer til å ha en utstrekning så får man da 2100mmx1600mm arbeidsområde, eller
3.36 arbeidsflate. Verktøyet har en utstrekning og verktøyfestet i designet, se kapittel 3.2.4, har en
bredde på 66mm. Det er ingen fysiske hindringer som stopper maskinen fra å utnytte hele lengden
på 2100mm. Ved å la det være 2mm klaring mellom verktøyfestet og x-aksen så blir arbeidsområdet
2100mm x 1530mm, eller 3.2
Dette oppfyller kravet om å kunne skjære i de bredeste platene(1500mm) og kunne skjære hele
plater a 2000mm.
Arbeidshøyden
Mellom skjærebordet og y-aksen er det 145mm For å unngå at arbeidsstykket krasjer i y-aksen så
settes en grense på 5mm fra y-aksen. Da blir arbeidshøyden 140mm.
Dette oppfyller kravet om minst 100mm arbeidshøyde for å kunne bearbeide hele isopor eller
styroformblokker. Se kapittel 3.2.1 Overordnet design av rammen for mer informasjon.
Arbeidsvolum
Maskinen får et arbeidsvolum på 2100mm x 1530mm x 140mm = 0.45
.
Arbeidsområde funksjoner
Maskinens utforming med x-aksene langs langsidene gjør at det kan legge stålplater i maskinen på
opptil 3,5 meter. Blir de større enn 3,5 meter så vil det ikke være mulig å få dem på maskinen pga.
avstand til veggene. Dette gjør at maskinen kan ha alle standard stålplater som funnet i kapittel 3.2.1
lastet i maskinen, selv om den ikke kan bearbeide plater på mer enn 2 meter lengde i en omgang.
Dette sparer masse arbeid med å måtte skjære til platen sånn at den passer inn i maskinen.
72
4.2.2 Bevegelse
Hvor fort de forskjellige aksene kan bevege seg under ulike på kjenninger og hvor fin oppløsningen er
på aksene er nyttig informasjon. Dette kan brukes til å raskt bedømme om maskinen er i stand til å
gjennomføre en oppgave eller egner seg for montering av en type utstyr.
x-aksen
Tabell 8 Bevegelsesinformasjon x-aksen
Egenskap
Oppløsning
Maks hastighet
Kraft
Plasmakutter
0.0236 mm
2.5653 m/s
16.7 N
Fres
0.0236 mm
0.3275 m/s
130 N
Når maskinen fungerer som en fres så vil belastningen på verktøyet bli fordelt over begge motorene.
Derfor blir ikke belastningen per motor så stor som for y-aksen sin stepper motor. Den må dra all
kraften alene siden det bare er en motor. Når maskinen fungerer som plasmakutter så får den en
latterlig høy hastighet på 2.56 m/s. Hastigheten vil bli begrenset av datamaskinen sånn at den ikke
når usikre grenser. Disse grensene vil bli satt når maskinen er ferdig konstruert.
y-aksen
Tabell 9 Bevegelsesinformasjon y-aksen
Egenskap
Oppløsning
Maks hastighet
Kraft
Plasmakutter
0.0236 mm
13.2532 m/s
3.22 N
Fres
0.0236 mm
0.1703 m/s
251 N
y-aksen sin motor får også en usannsynlig høy topphastighet. Det vil være friksjon på de lineære
føringene som vil øke belastningen og senke farten. I tillegg så synker momentet jo fortere motoren
går. Så grensen befinner seg nok rundt maks 8 m/s. Selv det vil bli regulert til en maksfart som blir
satt når maskinen er ferdig kosntruert.
z-aksen
For z-aksen så blir maks fart satt manuelt. Dette siden det ikke er gjort faktiske beregninger. Se
kapittel 3.4.2 for forklaring.
Tabell 10 Bevegelsesinformasjon z-aksen
Egenskap
Oppløsning
Maks hastighet
Kraft
Plasmakutter
0.001 mm
0.05 m/s
1 N (friksjon)
Fres
0.001mm
0.03 m/s
251 N
Generelt
At x- og y-motorene greier kravene til fart(0.15m/s for plasma, 0.05m/s for fres) greit er viktig. Dette
fordi det vil komme friksjon inn i bildet på de lineære føringene, og andre krefter som det ikke er
regnet med. Disse kreftene vil gjøre at makshastigheten dropper fordi det blir behov for mer kraft.
Da er det bra å ha litt å gå på i utgangspunktet.
73
4.2.3 Styringssystemet¨
Styringssystemet består av en datamaskin som gjennom et styringskort, g540, kommuniserer ved
resten av elektronikken. se Figur 53.
Figur 53 Elektronikk oversikt
Styringskortet har innebygde motordrivere som driver to stepper motorer for x-aksen, en for yaksen, og en for z-aksen. Stepper motorene beveger verktøyet i x, y, og z-retning. Når maskinen
starter så «homer» den til 0 posisjonen til hver akse. Der står det en mekanisk bryter på hver akse
som maskinen aktiverer når den når 0 posisjonen. Når maskinen datamaskinen nå vet hvor verktøyet
er så kan den begynne å arbeide. En fil med g-kode lastes inn i Mach3 som er styringsprogrammet til
maskinen. Maskinen beveger på seg og når verktøyet har nådd posisjon så tennes plasmakutteren.
Dette skjer ved at datamaskinen sendte et signal til styringskortet om at det skulle slå på et rele som
fungere som på knappen som man finner på plasmakutter pistolen. Når plasmabuen er aktivert
sender THC-enheten et signal til styringskortet som forteller datamaskinen at verktøyet har begynt å
kutte. Da begynner datamaskinen å styre plasmakutteren gjennom mønsteret som er programmert i
g-koden. THC-enheten regulerer høyden opp og ned sånn at kuttet blir finest mulig.
Sånn vil styringen til maskinen i bunn og grunn fungere med dette oppsettet.
Maskinen har kvalitets styringskort, programvare, og THC-enhet. Programvaren Mach3 har egne
profiler for både fresing og plasmakutting noe som gjør den svert godt egnet til denne typen
«multimaskin» bruk. Programvaren og de elektriske komponentene som er valgt oppfyller alle
kravene som ble satt for dem. Kabler er ennå ikke valgt.
74
4.2.4 Oppsummering av maskinen
Figur 54 CNC-maskinen med det endelige designet den har på slutten av rapportskrivingen.
Tabell 11 Oversikt over noen av de viktigste egenskaper maskin
Type maskin
Arbeidsområde (x,y,z)
Arbeidsflate
Arbeidsvolum
3, akset CNC-plasmakutter og fres
2100mm x 1530mm x 140mm
3.2 m2
0.45 m3
x-akse
Oppløsning
Maks hastighet
Kraft
Plasmakutter
0.0236 mm
2.5653 m/s
16.7 N
Oppløsning
Maks hastighet
Kraft
Plasmakutter
0.0236 mm
13.2532 m/s
3.22 N
Fres
0.0236 mm
0.3275 m/s
130 N
y-aksen
Fres
0.0236 mm
0.1703 m/s
251 N
z-aksen
Oppløsning
Maks hastighet
Kraft
Programvare
Styringskort
Motordrivere
THC-enhet
Endestopp
Strømforsyning
Plasmakutter
0.001 mm
0.05 m/s
1 N (friksjon)
Fres
0.001mm
0.03 m/s
251 N
Mach3
G540 Gecko
G250, 3A 50V
Proma Compact THC Controller 150
Mikrobrytere, x+,x-,y+,y-,z+,z36V 10A 360W
75
5 Konklusjon
Defleksjon
Defleksjonen til rammen er innenfor kravet. Det er også identifisert tiltak som kan minske
defleksjonen ytterligere. Med dette så burde maskinen være i stand til å fungere som en fres i tillegg
til plasmakutter. Det er en del usikre elementer som for eksempel hvor mye beltene til beltedriften
strekker seg under bruk. Oppgaveskriver tror ikke dette vil skape problemer under bruk som
plasmakutter. For bruk som fres kan det føre til at den totale defleksjonen blir større enn tillat, hvis
belastningene blir store.
Oppgaveskriver konkluderer med at maskinen klarer de gitte kravene for defleksjon med
forbeholdene som er nevnt ovenfor.
Maskinens funksjonalitet
Oppgaveskriver er svært fornøyd med maskinen sin funksjonalitet. Det har lyktes å sette sammen et
design som gjør at alle standard størrelse stålplater kan mates rett inn i maskinen. Maskinen er ikke i
stand til å kutte opp lengre plater enn 2100mm i en operasjon, men kan kutte plater opp til og med
1500mm brede. Maskinen er bygd opp av moduler som kan tas fra hverandre og lagre sånn at
skjærebordet ikke blir okkupert av maskinen. Maskinen har innebygd automatisk høyde kontroller
for plasmakutter. Dette gjør at det blir mye lettere å skjære i bølgete plater, og kuttflatene og
kantene blir jevnere og finere. THC-enheten gir også signal om når plasmabuen er tent sånn at
maskinen kan vente med å begynne å skjære til plasmakutteren er klar. Maskinen er styrt av Mach3
et brukervennlig program med mange innstillingsmuligheter og ferdige profiler for både fresing og
plasmakutting.
Oppgaveskriver er meget fornøyd med den totale pakken som maskinen sitt design leverer.
Sammensettingen av komponenter er ikke revolusjonerende for denne oppgaven. Det finnes sikkert
mange maskiner som har brukt samme deler, men oppgaveskriver har ikke bare funnet en liste på
nettet å tatt utgangspunkt i den. Alle komponenter som er valgt er valgt av en grunn noe
oppgaveskriver håper han har greid å formidle gjennom kapittel 3 og 4.
Oppgaveskriver konkluderer med at maskinens design vil fylle funksjonen som CNC-plasmakutter og
CNC-fres når den er konstruert ferdig. Oppgaveskriver skulle ønsket at det hadde latt seg gjøre å
bygge ferdig maskinen før rapportfristen, men det lot seg ikke gjøre som tidligere nevnt.
Etterarbeid
Et viktig punkt var at det skulle kunne skrives oppgaver rundt maskinen, og at den skulle kunne
videreutvikles. Gjennom arbeidet på maskinen har oppgaveskriver konkludert med at disse
oppgavene ville være til stor nytte i form av å utvide maskinens funksjonalitet, eller være
interessante forskningsoppgaver.
Closed loop feedback system for stepper motorene sin bevegelse
Designe og implementere en form for feedback til datamaskinen sånn at styringen av maskinen kan
kontrollere om maskinen er i den posisjonen den skal være. Dette vil være svært nyttig hvis maskinen
skal operere nær sin kapasitetsgrense. Da kan datamaskinen kontrollere om den faktisk var i stand til
å gjennomføre bevegelsene den skulle, og kompensere og rette seg opp igjen hvis den skulle avvike.
Egner seg nok best for data og elektronikk studenter. Kybernetikk hadde dette vært ypperlig for.
76
Bygge maskinen om til en MIG-3D-printer som kan printe metal
3D-printer revolusjonen er over oss og plastikkprintere av varierende kvalitet popper opp i stadig nye
design og med stadig bedre resultater. Det går an å bygge en 3D printer som kan printe med MIG
apparatet i stedet for plastikk. Den fungerer ellers ganske likt som en plastik FDM printer, så det
meste av teknologien finnes klart. Har allerede blitt gjort på andre universiteter, men ikke i så stor
skala som det er mulig med å bruke denne store maskinen.
Egner seg for en blanding av maskin og elektro og data studenter
Oppgradere maskinen til å kunne frese i aluminium
En gruppe studenter kunne analysert maskinen og arbeidet videre på en pakken med Matlab
funksjoner og skript som oppgaveskriver allerede har lagd. De kan finne ut hva kravene for at
maskinen skal kunne frese i aluminium er, å så oppgradere maskinen sånn at den kan det.
Egner seg for maskin og elektro og data studenter. Det anbefales at de har litt peiling på matlab før
de setter i gang
Montere og designe belastnings overvåkningssystem.
Et trykk sensor system som måler kreftene maskinen blir utsatt for under arbeid. Dataen blir brukt til
å regulerer fremdriftshastigheten til maskinen og unngå at maskinen blir belaste så mye at
defleksjonen blir stor å går utover produksjonskravene til delen som produseres. Ville gjort maskinen
i stand til å gjennomføre nøyaktig maskineringsarbeid selv når den arbeider på grensen av sin
kapasitet.
Passer for en eller flere kybernetikk studenter og noen fra maskin.
Vedlikehold og funksjons analyse
Alle feil og avvik på maskinen blir rapportert. Ette et års bruk så går man gjennom dem, analyserer
feilene og forbedrer maskinen.
Egner seg godt for en liten gruppe maskinstudenter 2-3 stykk. Fordel med praktisk yrkesfaglig
bakgrunn innenfor mekanikk.
Oppgaveskriver konkluderer med at denne maskinen kan være starten på et spennende forsknings
og utviklingseventyr om universitetet gripper sjansen. Her er det mulighet for studenter til å lære og
professorer og doktorgradsstudenter til å få satt forskingen ut i live ved hjelp av gode tilgjengelige
produksjonsutstyr
77
7 Kilder
CNCCookbook, Inc., u.d. CNCCookbook: Dealing with noise problems. [Internett]
Available at: http://www.cnccookbook.com/CCCNCNoise.html
[Funnet 13 Mai 2014].
Geckodrive Motor Controls, u.d. G540 4-Axis Digital Step Drive info. [Internett]
Available at: http://www.geckodrive.com/geckodrive-step-motor-drives/g540.html
[Funnet 6 Februar 2014].
miss_my_car, ebay.com selger, u.d. Pris på lineære føringer, ebay.com. [Internett]
Available at: http://www.ebay.com/itm/6pcs-SBR20-550-1750-2750mm-fully-supported-linear-railshaft-rod-12pcs-SBR20UU/301009213129?pt=BI_Heavy_Equipment_Parts&hash=item46158c16c9#shpCntId
[Funnet 7 Februar 2014].
proma.elektronika, ebay.com selger, u.d. Pris på THC-enhet, ebay.com. [Internett]
Available at: http://www.ebay.com/itm/Proffessional-Compact-CNC-Plasma-THC-Controller-TorchHeight-Control-/321302831531?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item4acf2421ab
[Funnet 7 Februar 2014].
sure-hifi, ebay.com selger, u.d. Pris på strømforsyning, ebay.com. [Internett]
Available at: http://www.ebay.com/itm/MW-36V-12-45A-AC-DC-PSU-Switching-Power-SupplyMean-Well-SE-450-36-450W-/350835960272?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item51af73e9d0
[Funnet 7 Februar 2014].
yibiaoxin1982, ebay.com selger, u.d. Pris på kulebøssinglagre, ebay.com. [Internett]
Available at: http://www.ebay.com/itm/6pcs-LM20UUOP-20mm-Open-Linear-Ball-Bearing/350680109310?pt=BI_Heavy_Equipment_Parts&hash=item51a629d0fe
[Funnet 7 Februar 2014].
Álvarez, J.-M. B., 2007. Steinalderverktøy fra den atlantiske regionen Guelmim-Es Semara, Sahara
(Det nasjonale arkeologiske museet i Madrid), Madrid: Wikimedia Commons.
Anon., u.d. EgyptSearch Forums: Out of Africa - Ancient Egyptian Inventions. [Internett]
Available at: http://www.egyptsearch.com/forums/ultimatebb.cgi?ubb=print_topic;f=8;t=007057
[Funnet 8 Mai 2014].
ArtSoft Corporation, u.d. Mach3 – License. [Internett]
Available at: http://www.machsupport.com/shop/mach3/
[Funnet 5 Februar 2014].
asahitoys, ebay.com selger, u.d. Pris på belte tanhjul, ebay.com. [Internett]
Available at: http://www.ebay.com/itm/HTD-3M-Aluminum-Timing-Pulley-15-tooth-Bore-6-35mmfor-15mm-wide-belt-CNC-/161198948806?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item258834c1c6
[Funnet 5 Februar 2014].
B2BMETAL, u.d. Rectangular structural hollow sections - HSS of EN 10219, cold formed steel
rectangular sections. [Internett]
Available at: http://www.b2bmetal.eu/en/pages/index/index/id/94/
[Funnet 16 April 2014].
78
British Stainless Steel Association, u.d. Bimetallic (galvanic) corrosion risks from contact with
galvanised steel or aluminium. [Internett]
Available at: http://www.bssa.org.uk/topics.php?article=89
[Funnet 13 Mai 2014].
Cai, Z. & Ross, R. J., u.d. Mechanical Properties of Wood-Based. [Internett]
Available at: http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplgtr/fplgtr190/chapter_12.pdf
[Funnet 5 Februar 2014].
Changzhou WanTai Electrical Appliance Co.,Ltd, u.d. Hybrid Stepping Motor 57BYGH. [Internett]
Available at: http://www.wantmotor.com/ProductsView.asp?id=160&pid=80
[Funnet 11 Mai 2014].
CNC Masters, u.d. CNCl Max Machine. [Internett]
Available at: http://www.cncmasters.com/images/home/products/cncmax/cnc-mill-max-rt-viewbig.jpg
[Funnet 10 Mai 2014].
CNC-arena forum users, 2006. Stepper Motors and Drives > Stepper EM noise:. [Internett]
Available at: http://www.cnc-arena.com/en/forum/stepper-em-noise--201278.html
[Funnet 13 Mai 2014].
cnczone.com brukere, u.d. mdf vs plywood, foruminlegg på cnczone.com. [Internett]
Available at: http://www.cnczone.com/forums/jgro_router_table_design/65921mdf_vs_plywood.html
[Funnet 7 Februar 2014].
Dave Cook, C. T. S. D., u.d. Troubleshooting PAC Systems: How to Nullify Noise. [Internett]
Available at: http://www.centricut.com/New_Lessons/lessons_14.html
[Funnet 13 Mai 2014].
Daycounter Inc., u.d. Stepper Motor Calculator. [Internett]
Available at: http://www.daycounter.com/Calculators/Stepper-Motor-Calculator.phtml
[Funnet 11 Mai 2014].
Dolly1010, 2011. Stepper Motor. [Internett]
Available at: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stepper_motor.jpg
[Funnet 10 Mai 2014].
engineeringtoolbox.com, u.d. Densities of Miscellaneous Solids. [Internett]
Available at: http://www.engineeringtoolbox.com/density-solids-d_1265.html
[Funnet 16 April 2014].
engineeringtoolbox.com, u.d. Modulus of Elasticity - Young Modulus for some common Materials.
[Internett]
Available at: http://www.engineeringtoolbox.com/young-modulus-d_417.html
[Funnet 16 April 2014].
Gecko Drive, u.d. G540 4-Axis Digital Step Drive. [Internett]
Available at:
http://www.geckodrive.com/media/catalog/product/cache/1/image/9df78eab33525d08d6e5fb8d27
79
136e95/g/5/g540.gif
[Funnet 28 April 2014].
Junge, M., u.d. Centrifugal Governor at the Science Museum London, s.l.: s.n.
Lemu, H. G., 2013. Dimmensjonering av maskinelementer, Kompendium i fag BIM150
Maskinelementer. Stavanger: Institutt for konstruksjonsteknikk og materialteknologi, UiS.
Machsupport Forum Users, 2008. "Holding" vs "Running" torque. [Internett]
Available at: http://www.machsupport.com/forum/index.php?;topic=6466.0
[Funnet 12 Mai 2014].
Makerbot, u.d. MakerBot Replicator Desktop 3D Printer (Fifth Generation Model). [Internett]
Available at: http://store.makerbot.com/replicator
[Funnet 10 Mai 2014].
Norsk Stål, u.d. Norsk Stål Produktkatalog. [Internett]
Available at:
http://produktkatalog.norskstaal.no/Pages/Category.aspx?cat=Org0200&Category=po253010
[Funnet 13 Mai 2014].
Plastics One Inc, u.d. Wire Design - Making the Perfect Cable. [Internett]
Available at: http://www.plastics1.com/Wire-Design.php
[Funnet 10 Mai 2014].
R.C.Hibbeler, 2011. Machanics of Materials. 8 red. Singapore: Pearson Education South Asia Pte Ltd.
Reprap contributors, 2014. G-code. [Internett]
Available at: http://reprap.org/wiki/G-code
[Funnet 10 Mai 2014].
Ruukki Norge As, 2014. Lagerprogram og prisliste RuukkiNorge. [Internett]
Available at:
www.ruukki.no/~/media/Norway/Files/Stocklists%20ALU/Aluminium%20stang%20og%20r%C3%B8r.
pdf
[Funnet 16 April 2014].
sawmillcreek.org brukere, u.d. Dimensional Stability MDF vs Plywood, debatt innlegg. [Internett]
Available at: http://www.sawmillcreek.org/showthread.php?122015-Dimensional-Stability-MDF-vsPlywood
[Funnet 5 Februar 2014].
Smith Stål, 2011. Lagerkatalog Smith Stål. [Internett]
Available at: http://www.smithstal.no/SmithStaal/Produkter/lagerkatalogsmithstal.no.pdf?epslanguage=no
[Funnet 13 Mai 2014].
Sunzhou Sunda Machine Tools CO., LTD., u.d. Economical CNC Lathe CJK6136B-Sunda Machine Tools.
[Internett]
Available at: http://www.sundamachinetools.com/economical-cnc-lathe/CJK6136B.htm
[Funnet 10 Mai 2014].
80
Tenderlok, 2012. Steam Engine. [Internett]
Available at: http://en.wikipedia.org/wiki/Steam_engine
[Funnet 8 Mai 2014].
Tooling University, 2014. What is the definition of machining center?. [Internett]
Available at: http://www.toolingu.com/definition-300210-12755-machining-center.html
[Funnet 8 Mai 2014].
Waard, S. d., 2011. Electric motor. [Internett]
Available at: http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_motor
[Funnet 8 Mai 2014].
wawawago, ebay.com selger, u.d. Pris på reim, ebay.com anonse. [Internett]
Available at: http://www.ebay.com/itm/HTD-3M-Timing-Belt-5m-W-10mm-for-CNC-Robotics/121259869934?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item1c3ba6c6ee
[Funnet 7 Februar 2014].
Wikipedia contributors , 2014. Galvanic corrosion. [Internett]
Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Galvanic_corrosion&oldid=607332035
[Funnet 13 Mai 2014].
Wikipedia contributors , 2014. Numerical control. [Internett]
Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Numerical_control&oldid=607135967
[Funnet 7 Mai 2014].
Wikipedia contributors , 2014. Stepper motor. [Internett]
Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Stepper_motor&oldid=607511535
[Funnet 10 Mai 2014].
Wikipedia contributors, 2013. Knitting machine. [Internett]
Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Knitting_machine&oldid=582507744
[Funnet 7 Mai 2014].
Wikipedia contributors, 2014. Electric motor. [Internett]
Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Electric_motor&oldid=606971270
[Funnet 6 Mai 2014].
Wikipedia contributors, 2014. History of technology. [Internett]
Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=History_of_technology&oldid=605990522
[Funnet 6 Mai 2014].
Wikipedia contributors, 2014. Mechanical calculator. [Internett]
Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Mechanical_calculator&oldid=604082356
[Funnet 6 Mai 2014].
Wikipedia contributors, 2014. Servomotor. [Internett]
Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Servomotor&oldid=607615631
[Funnet 10 Mai 2014].
Wikipedia contributors, 2014. Shim (spacer). [Internett]
Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Shim_(spacer)&oldid=601629943
[Funnet 18 April 2014].
81
Wikipedia contributors, 2014. Skin effect. [Internett]
Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Skin_effect&oldid=607694348
[Funnet 13 Mai 2014].
Wikipedia contributors, 2014. Watermill. [Internett]
Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Watermill&oldid=606999397
[Funnet 6 Mai 2014].
Wikipedia-brukere, 2013. Forbrenningsmotor. [Internett]
Available at: //no.wikipedia.org/w/index.php?title=Forbrenningsmotor&oldid=12211443
[Funnet 6 Mai 2014].
www.engineeringtoolbox.com, u.d. Modulus of Rigidity. [Internett]
Available at: http://www.engineeringtoolbox.com/modulus-rigidity-d_946.html
[Funnet 27 April 2014].
zappltd, ebay.com selger, u.d. Anonse med info om styrken til reim. [Internett]
Available at: http://www.ebay.com/itm/T5-Timing-open-timing-belt-10mm-CNC-ROBOTICS/251038880715?pt=UK_BOI_Industrial_Automation_Control_ET&hash=item3a731553cb
[Funnet 5 Februar 2014].
82
Vedlegg
Alle vedleggene ligger elektronisk på www.gjoreselv.com
1 Matlab funksjoner og skript
Alle Matlab funksjoner og skript som er brukt i oppgaven pakket i .zip fil
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Hovedfil_beregninger_CNC_plasmakutter.m
Vekt_og_krefter.m
Defleksjon.m
Stepper_motor_kalkuleringer.m
Senario.m
ledning_tversnitt.m
konvergering.m
2 Solid Edge filer
Solid Edge modellfilene til maskinen pakket som .zip fil
3 Brukermanual THC-enhet Proma
Brukermanual med teknisk informasjon og spesifikasjoner
4 Brukermanual G540 GeckoDrive
Brukermanual med teknisk informasjon og spesifikasjoner
1