CZ21902U1 - Unášecí rám s kompožitovými třmeny - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká unášecího rámu manipulačního zařízení určeného k obsluze výrobního stroje, typicky karosářského lisu, jehož základní nosné části jsou z lehkého vláknového kompozitu s polymemím pojivém, takže rám má velmi nízkou celkovou hmotnost a vysokou dynamickou tuhost.

Dosavadní stav techniky

Zejména u součástí výrobních strojů, manipulátorů a robotů existují nej naléhavější požadavky na co největší statickou i dynamickou tuhost spolu s vysokým mechanickým tlumením, zároveň na co nej menší teplotní deformace i na dlouhodobou stabilitu tuhosti, tvaru, rozměrů a co nejnižší hmotnost. Při svém provozu zařízení obsluhující výrobní stroj vkládá do výrobního stroje materiál nebo polotovar výrobku a následně ze stroje hotový výrobek vyjímá a ukládá jej na určené místo. Vykonává přitom vesměs přímočaré i otáčivé rychlé vratné pohyby, takže je intenzivně namáháno setrvačnými silami.

Manipulátory obsluhující výrobní stroje jsou nejčastěji sestavovány z rozebíratelných a stavitelných modulárních trubkových systémů, aby jejich konstrukce byla univerzálně variabilní a mohla se operativně přizpůsobovat tvarům a rozměrům polotovarů či výrobků, se kterými je právě třeba manipulovat. Takové modulární systémy sestávají zpravidla z nosníků v podobě kovových trubek a kovových rozebíratelných spojovacích elementů. Nej častějším materiálem takových konstrukcí manipulátorů a uchopovacích zařízení jsou hliníkové slitiny, aby byly lehké. Bohužel však frekvence vlastních kmitů nosníků stejných průřezů vyrobených z lehkých slitin jsou prakticky stejné jako u nosníků ocelových, třebaže ocel má třikrát vyšší modul pružnosti než hliníkové slitiny. Navíc součinitel vnitřního tlumení hliníkových slitin je oproti oceli jen třetinový. V praxi proto velmi často dochází k tomu, že budicí kmity od unášeče a pohonu manipulátoru jsou blízké frekvenci vlastních kmitů navazujících částí manipulátoru, takže celá konstrukce manipulátoru včetně uchopovacích zařízení při své činnosti nepříjemně kmitá, což silně zhoršuje přesnost polohování manipulovaného výrobku a nutí provozovatele výrobního stroje udržovat pohyby manipulátoru dostatečně pomalé, aby se jeho vlastní kmity neuplatňovaly. To je hlavním důvodem, proč se na nosníky modulárních systémů manipulačních zařízení začaly používat trubky z uhlíkových kompozitů. Zmiňuje se o nich ostatně i některá patentová literatura, např. v dokumentech EP1607638 nebo DE202004017445.

Jedním z příkladů celokovového manipulačního zařízení je manipulační zařízení obsluhující lis plechových částí automobilových karoserii. K manipulátoru lisuje připojen příčník čtyřhranného průřezu, na který jsou shora uloženy dva unášecí rámy s do stran šikmo dolů směrujícími raménky s přísavkami, sloužícími k uchopování plechů. Každý unášecí rám se skládá z dvojice válcových spojovacích trubek, ze dvou třmenů poměrně plochého čtyřhranného průřezu a ze čtveřice upínacích kostek. Unášecí rámy jsou na příčník rozebíratelně upnuty speciálními spojkami za otvory v upínacích kostkách.

Protože celý rám je zhotoven z hliníkové slitiny, tak také u tohoto zařízení je vlastní frekvence rámu s raménky s přísavkami blízká budicím kmitům od manipulátoru lisu. Tato okolnost neumožňuje zvýšit produktivitu výroby lisu, aniž by došlo k významné ztrátě přesnosti polohování dotyčných výrobků a její reprodukovatelnost, protože není možné dopustit, aby se manipulátor s unášecím rámem dostaly do rezonance. Analýzou se ukázalo, že k této nepříznivé situaci významně přispívá nejen hmotnost rámu, ale hlavně nedostačující tuhost jeho třmenů, protože právě kovové třmeny v dosavadním provedení jsou relativně nejméně tuhou Částí unášecího rámu. Problém řeší předmět technického řešení.

- 1 CZ 21902 Ul

Podstata technického řešení

Podstata řešení vzoru spočívá v tom, že unášecí rám manipulačního zařízení určeného k obsluze výrobního stroje, sestává z dvojice vzájemně rovnoběžných válcových spojovacích trubek spojených dohromady dvěma kolmo k nim orientovanými třmeny tvaru písmene U vybavenými na svých koncích upínacími kostkami, přičemž oba třmeny, vyrobené alespoň z části z vláknového kompozitu vrstevnaté struktury z kontinuálních výztužných vláken uložených v polymemím pojivu, mají příčný průřez ve tvaru dutého uzavřeného profilu, a vnitřní kompozitová struktura každého z třmenů obsahuje alespoň jednu vrstvu s výztužnými vlákny s orientací o hodnotě nacházející se v intervalu ±20° až ±60° vzhledem k podélné ose vnitřní dutiny třmenu a modul pružnosti v tahu kompozitové struktury třmenů ve směru podélné osy dutiny třmenu je větší než 40 GPa.

Profil průřezu třmenu musí být uzavřený, aby byl maximálně torzně tuhý, Dutý profil průřezu pak zajišťuje nejvýhodnější poměr ohybové tuhosti a hmotnosti třmenu. Vnější obvod profilu průřezu třmenu může mít tvar libovolný, pokud bude příznivý pro ovíjení výztužnými vlákny, tzn., že vlákna nebudou muset překonávat ostré hrany nebo příliš malé poloměry ohybu. Nejvhodnější je proto buď tvar kružnice nebo tvar vícehranu se zaoblenými hranami.

Pro optimální funkci unášecího rámu je přitom vhodné, aby i spojovací trubky unášecího rámu byly vyrobeny z vláknového kompozitu, aby byly co nejtužší a nejlehčí a nesnižovaly zbytečně frekvenci vlastních kmitů rámu. Nejpraktičtější pro tento účel je použít pro třmeny i spojovací trubky kompozity z uhlíkových vláken s polymemím pojivém, neboť tak se dosáhne maximální tuhosti, vysoké pevnosti a minimální hmotnosti při relativně nízké ceně. Protože na trhu dnes existují uhlíková vlákna s velmi rozdílnými, i násobně rozdílnými hodnotami modulu pružnosti, lze jejich vhodným výběrem maximálně ovlivňovat výslednou tuhost třmenů i spojovacích trubek, aniž by se prakticky měnila jejich hmotnost. Použitím vysokomodulových uhlíkových vláken tak lze dosáhnout tak vysoké dynamické tuhosti třmenů, jakou z jiných materiálů dosáhnout nelze. Jestliže se pro díly unášecího rámu Částečně použijí i polymemí, například aramidová vlákna, která mají sama o sobě velké vnitřní mechanické tlumení, lze jejich přítomností navíc zvýšit mechanické tlumení, aniž by se nějak citelně zhoršila tuhost těchto dílů.

Dutinu uvnitř profilu třmenu lze přitom v případě potřeby výhodně využít k rozvodu vakua k přísavkám uchopovacího zařízení, nebo k rozvodu jiných médií.

Je proto výhodné použít jako základ dutiny v třmenu kovovou nebo plastovou trubičku, která se dá při výrobě třmenu využít současně jako tm, na který lze klást jednotlivé vrstvy kompozitu.

Jestliže by přítomnost trubičky uvnitř třmenu nebyla z jakéhokoliv důvodu vhodná, je při vhodné technologii možné klást vrstvy kompozitu na vyjímatelné jádro.

Pro spoje konců třmenů s upínacími kostkami je nejvhodnější použít lepení, protože čistě mechanické spoje vláknový kompozit - kov se vždy projevují jako nej slabší částí jakékoliv materiálově smíšené konstrukce.

Unášecí rám s kompozitovými třmeny podle technického řešení odstraňuje hlavní problém dřívějšího provedení rámu s kovovými třmeny, které byly částmi rámu s nejmenší dynamickou tuhostí.

Použitím kompozitových třmenů v konstrukci unášecího rámu, zvláště pak i při současném použití kompozitových spojovacích trubek, se nejlépe docílí zvýšení celkové tuhosti unášecího rámu a zejména významného snížení jeho hmotnosti. Tím se frekvence vlastních kmitů rámu natolik zvýší nad frekvenci budicích kmitů manipulátoru, že lze ekonomicky zajímavým způsobem zrychlit pracovní pohyby manipulátoru a zvýšit tak produktivitu výroby, aniž by došlo ke zhoršení přesnosti a reprodukovatelnosti polohování daného manipulovaného polotovaru či výrobku.

.9 CZ 21902 Ul

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 je znázorněn situační pohled na příčník manipulátoru se dvěma unášecími rámy a s raménky přísavek, nacházející se mezi beranem a stolem lisu Na obr. 2 je znázorněn pohled na samotný příčník s unášecími rámy Na obr. 3 je znázorněn samotný unášecí rám

Na obr. 4 je znázorněn lepený spoj třmenu s velkými upínacími kostkami

Na obr. 5 je znázorněn lepený spoj třmenu s malými upínacími kostkami

Na obr. 6 je znázorněn třmen a jeho příčný průřez.

Příklad provedení technického řešeni

Příkladem možného provedení je unášecí rám I manipulátoru lisu ve výrobě plechových dílů automobilových karoserií. Jakje zřejmé z obr. 1, k manipulátoru lisuje mezi beranem a stolem připojen příčník 6 čtyřhranného průřezu, na který jsou shora uloženy dva unášecí rámy 1 s do stran šikmo dolů směřujícími, svěmými elementy připevněnými raménky 5 s přísavkami, sloužícími k uchopování manipulovaných plechů. Samotný příčník 6 s oběma unášecími rámy 1 je zřetelněji znázorněn na obr. 2.

Unášecí rámy I jsou na příčník 6 rozebíratelně upnuty speciálními spojkami za otvory o průměru 10 mm v upínacích kostkách 31 a 32.

Jakje znázorněno na obr. 3, každý unášecí rám 1 se skládá z dvojice kompozitových válcových spojovacích trubek 4, ze dvou kompozitových třmenů 2 tvaru písmene U zaobleně čtyřhranného příčného průřezu, ze dvou velkých upínacích kostek 31 a ze dvou malých upínacích kostek 32. Rozteč spojovacích trubek 4 je 230 mm a jejich délka 1300 mm. Spojovací trubky 4 jsou k malým upínacím kostkám 32 připevněny svěmými objímkami se šrouby, aby jejich poloha byla stavitelná, zatímco s velkými kostkami 31 jsou spojeny nerozebíratelně lepenými spoji. Upínací kostky 31 a 32 jsou vyrobeny z hliníkové slitiny.

Spojovací trubky 4 o vnějším průměru 40 mm a tloušťce stěny 2 mm jsou vyrobeny přesným navíjením uhlíkových vláken T700 s epoxidovou piyskyřicí LG120/EM100 jakožto pojivém. Většina vrstev tohoto kompozitu má orientaci ± 30°, mezi nimiž je vrstva s orientací 90°.

Konce kompozitových třmenů 2 tvaru U jsou zasunuty a zalepeny epoxidovým lepidlem do otvorů v upínacích kostkách 31 a 32, což je názorně ukázáno na obr. 4 a na obr. 5. Na obr. 6 je pak znázorněn samotný kompozitový třmen 2 o rozpětí 172 mm spolu s nákresem jeho příčného průřezu. Jak jez tohoto nákresu zřejmé, jeho příčný průřez je čtyřhranný, mírně lichoběžníkový se zaoblenými hranami. Technologickým základem profilu třmenu 2 je měděná trubička o světlosti 10 mm a tloušťce stěny 0,6 mm. Na ní jsou střídavě nakladeny úhlové vrstvy uhlíkových vláken T700 s orientací ±30° v epoxidovém pojivu LG120/EM100 a vrstvy podélných svazků vysokomodulových uhlíkových vláken Dialead K63712 v témže epoxidovém pojivu. Zcela vnější vrstva je pak tvořena vrstvou uhlíkových vláken T700 s orientací ±45°. Výsledný podélný modul pružnosti tohoto kompozitu pak vychází s hodnotou těsně okolo 130 GPa.

Zatímco dřívější celokovové provedení unášecího rámu z trubek a plochých plných třmenů z hliníkových slitin mělo hmotnost 6 kg, nové provedení unášecího rámu I se spojovacími trubkami 4 a s třmeny 2 z uhlíkových kompozitu má celkovou hmotnost jen 2,5 kg. Vysoký modul pružnosti kompozitových třmenů 2 a nízká hmotnost unášecího rámu I má za následek, že základní frekvence vlastních kmitů unášecího rámu I se spojovacími trubkami 4 a třmeny 2 z uhlíkových kompozitů je zhruba 3,5krát vyšší, než u dřívějšího celokovového provedení.

-3 CZ 21902 Ul

Tato skutečnost umožňuje zvýšit rychlosti pohybů manipulátoru nejméně na dvojnásobek, aniž by došlo ke zhoršení přesnosti a reprodukovatelnosti polohování daného manipulovaného polotovaru či výrobku.

Průmyslová využitelnost

Technické řešení je určeno pro manipulační zařízení obsluhující výrobní stroje v sériové strojírenské výrobě, zejména pro lisovny plechů pro výrobu karoserií automobilů.

Claims (7)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Unášecí rám (1) manipulačního zařízení určeného k obsluze výrobního stroje, sestávající z dvojice vzájemně rovnoběžných válcových spojovacích trubek (4) spojených dohromady dvěma kolmo k nim orientovanými třmeny (2) tvaru písmene U, vybavenými na svých koncích upínacími kostkami (31 a 32), vyznačující se tím, že oba třmeny (2), vyrobené alespoň z části z vláknového kompozitu vrstevnaté struktury z kontinuálních výztužných vláken uložených v polymemím pojivu, mají příčný průřez ve tvaru dutého uzavřeného profilu, přičemž vnitřní kompozitová struktura každého z třmenů (2) obsahuje alespoň jednu vrstvu s výztužnými vlákny s orientací o hodnotě nacházející se v intervalu ±20° až ±60° vzhledem k podélné ose dutiny třmenu (2) a modul pružnosti v tahu kompozitové struktury třmenů (2) ve směru podélné osy dutiny třmenu (2) je větší než 40 GPa.
2. 2. Unášecí rám (1) podle nároku 1, vyznačující se tím, že vnitřní obrys příčného průřezu třmenu (2) má tvar kružnice.
3. 3. Unášecí rám (1) podle nároků laž2, vyznačující se tím, že vnější obrys příčného průřezu třmenu (2) je vícehranný se zaoblenými vrcholy.
4. 4. Unášecí rám (1) podle nároků laž2, vyznačující se tím, že vnější obrys příčného průřezu třmenu (2) má tvar kružnice.
5. 5. Unášecí rám (1) podle nároků laž 4, vyznačující se tím, že válcová dutina profilu třmenu (2) obsahuje kovovou trubku, kterou kompozitová část průřezu třmenu (2) těsně a pevně po celém obvodu trubky obepíná.
6. 6. Unášecí rám (1) podle nároků laž4, vyznačující se tím, že válcová dutina profilu třmenu (2) obsahuje plastovou trubku, kterou kompozitová část průřezu třmenu (2) těsně a pevně po celém obvodu trubky obepíná.
7. 7. Unášecí rám (1) podle nároku 1, vyznačující se tím, že spoj každého konce třmenu s upínací kostkou (31 a 32) je lepený.