Машински факултет Београд Катедразапроизводно машинство МАШИНЕ АЛАТКЕ и РОБОТИ НОВЕ ГЕНЕРАЦИЈЕ

Transcript

1 Машински факултет Београд Катедразапроизводно машинство МАШИНЕ АЛАТКЕ и РОБОТИ НОВЕ ГЕНЕРАЦИЈЕ AP-3 Примери мезо и микромашина Припремили: М. Главоњић, С. Живановић, мај МАШИНЕ АЛАТКЕ И РОБОТИ НОВЕ ГЕНЕРАЦИЈЕ 2012 АР-3 Примери мезо и микромашина МАШИНЕ АЛАТКЕ И РОБОТИ НОВЕ ГЕНЕРАЦИЈЕ 2010 ar3_nma.ppt 1

2 Увод Примери технологија за микро и мезо машине алатке Примери микро и мезо машина алатки Примери микрофабрика Литература ΣΣ Увод (о томе шта и како рећи) О Марку Краљевићу, када је поново оживео и видео (ново) тамно оружје (пушку, уместо старог свијетлог) и шта она може да учини, па се вратио одакле је дошао. О доступности свакоме свачега: Посредством академске мреже свако може доћи до свега релевантног, па и онога што се у овом курсу студира (или, студира ). О могућим индивидуалним поступцима са доступним материјалом: Другачија интерпретација. Специфично закључивање. Нови метод коришћења... Има много појмова, осим мезо и микро машина алатки, у овојтеми: погони, преносници, управљање, процеси, енергетска ефикасност... Било је две индустријске револуције: прва ( ), а ондадруга ( ). Машине алатке и те револуције су се узајамно афирмисале. Потом су биле две технолошке револуције: Полупроводничка ( ) и Нанотехнолошка (од године). Како машине алатке афирмисати у овим револуцијама? (новим генерацијама машина алатки, новим процесима...). Мора нешто бити како је бивало, на нови начин: Мултифункционалне комплексне машине алатке, реконфигурабилни технолошки ресурси, технолошке платформе, дигитални технолошки системи, управљање отворене архитектуре, нови материјали... ar3_nma.ppt 2

3 Увод (Уобичајенеимогућетемеумикроимезотехнологијама) Процеси: резање (S, B, G, Br ), пластично деформисање (истискивање, савијање, просецање, ваљање, сабијање...), електроерозија (жица, пуна електрода), обрада ласером, прерада пластике, склапање, мерење... Алати и прибори за микротехнологије: и они су производи ових технологија. Актуатори. Управљање. Надзор. Микро и мезо машине алатке. Микро и мезо фабрике. Енергетска ефикасност. Еколошка ефикасност.... ΣΣ Акојемногочегадоступномногима, мождаваљатовидети, па покренути своју интерпретацију, не препричавајући туђе. Увод Примери технологија за микро и мезо машине алатке Примери микро и мезо машина алатки Примери микрофабрика Литература ΣΣ ar3_nma.ppt 3

4 Шема Микро алат Механичка сила: одвајање Микро стругање Ref: Lu et al Int.J.Machine Tools & Manufacture Vol 39/1999 pp Tипови Обрада на ултрапрецизним струговима са дијамантским алатом Обрада на минијатуризованим струговима Примери Ref: Lu et al Int.J.Machine Tools & Manufacture Vol 39/1999 pp Карактеристике Min. D ~ 10 μm R a ~ 60 nm Roundness ~ 0.5 μm Ref: Rehman et al Int.J.Machine Tools & Manufacture Vol 45/2005 pp Шема Механичка сила: одвајање Микро бушење Геоматрија алата Микро алат Coated Micro-drill Ref: Gabler et al Diamond and Related materials Vol 9/2000 pp φ 6.7 μm Hole Ref: Egashira et al Precision Engg Vol 26/2002 pp Карактеристике Min. D ~ 7 μm R a < 1 μm L/D ~ 4 Познати проблеми повећање отпора резања извијање алата ar3_nma.ppt 4

5 Механичка сила: одвајање Микро глодање Micro end-mill types Шема Микро алат Пример Micro Walls Wall height : 650 μm Wall thickness : 25 μm Material : Brass Ref: Bang et al Int.J.Adv. Manuf.Tech 25/2005 pp Coated End Mill Ref: Uhlmann et al J.Material Processing Tech. Vol 167/2005 pp Карактеристике Min. Size ~ 25 μm R a ~ nm Шема Механичка сила: одвајање Микро брушење Механизам уклањања материјала крти лом хемо механичка смицање Пример Slot width : 100 μm Aspect ratio : 15 Material : WC Ref: Ramesh et al Int.J. Machine Tools and.manufacture 44/2004 pp Могућности процеса Min. Size ~ 100 μm R a < 4 nm ar3_nma.ppt 5

6 Пластично деформисање: Примери Piezoelectric actuator Displacement Die-set sensor 15μm Микро пробијање Load cell foil Human hair SiC fiber Инкрементално обликовање Мање време за развој Директно из CAD модела до готовог дела Нема губитка времена на пројекат и израду калупа Погодно за мали обим производње и брзу израду ar3_nma.ppt 6

7 Пластично деформисање Микро инкрементално обликовање лима чекићем се остварују мала удубљења ударцима по површини лима Понављањем удараца у ХУ равни деформације се равномерно увећавају Померањем по Z-оси на доле чекића повећава се дубина деформисања Коначноседобија3Д облик захваљујући инкременталним деформацијама управљаним по три осе X, Y и Z Принцип инкременталног обликовања лима Инкрементално обликовање са Инкрементално обликовање калупом без калупа Ref: Saotome, Y., et al 2001 Ref: Tanaka, S., et al, 1996 Примери делова добијених инкременталним обликовањем ar3_nma.ppt 7

8 Генерисање путање алата (b) (d) (a) (c) CAD моделран парт спирална путања алата са адаптивним слајсингом спирална путања алата без адаптивног слајсинга Примери израдака ar3_nma.ppt 8

9 Микро-истискивање истискивање истискивање микро пинова Истискивање: идеално за масовну производњу кључна питања: деформациона сила трење на површини алата и обратка димензије пречника пинова: 1.2mm, 0.8mm, 0.48mm. Оштећења пинова услед велике силе избацивања. побољшање могуће применом сегментних калупа (Prof. J. Cao, Northwestern) 150 mm 130 mm ar3_nma.ppt 9

10 μ-истискивање 210 mm 405 mm 150 mm μ-истискивање 210mm 150mm 405mm ar3_nma.ppt 10

11 Први истиснути почетни узорак пречник базе dia = 1.50 mm; истиснути пречник dia. = 1.00 mm Типови процеса Топљење/испаравање испаравање: Електроерозиона обрада Die-sinking EDM EDM Wire EDM EDM Milling WEDG Wire Electro Discharge Grinding ar3_nma.ppt 11

12 Микро електроерозиона обрада жицом примери обрађених делова 0.03 mm Увод Примери технологија за микро и мезо машине алатке Примери микро и мезо машина алатки Примери микрофабрика Литература ΣΣ ar3_nma.ppt 12

13 Типични примери ( M1 M2 WTEC Report M3 M4 M5... M1 Takashima Multi-Pro ( Реконфигурабилна, не мултифункционална. Габарит: 476х477 mm. Троосна, АС мотори. Могуће конфигурације: ЕDM 1,2; Milling 1,2; Grinding. EDM 1. Помоћу јединице за EDM 1 са управљаним вретеном. Број обрта вретена: до Погон: сервомотор. Снага: 150 W. Пречник стезача за алате: до 1 mm. Milling 2. Помоћу јединице за Milling 2. Број обрта главног вретена: 5000 до Снага до 370 W. Пречник стезача за алате: до 6 mm. Троши до 30 l/min ваздуха за хлађење. Тачност обртања вретена, односно, алата: боља од 1 μm. Grinding. Помоћу јединице за Grinding. Намењена је за обраду делова од керамике и супер легура. Број обрта вретена: до Снага: до 21 W. Пречник стезача за алате: до 4 mm. Троши до 80 l/min ваздуха за хлађење. Тачност обртања вретена: боља од 1 μm (ексцентрицитет отвора у стезачу алата у односу на конус у главном вретену). Опције: хлађење уљном маглом, ултразвучна обрада... M1 ar3_nma.ppt 13

14 EDM1 EDM2 Milling 2 Grinding M2 (FANUC ROBONANO, WTEC Report) M2 Ултрапрецизнамашинакоја може да ради као петоосна глодалица, струг, петоосна брусилица, брзоходна оштрилица, петоосна рендисаљка... Погон главног обртног кретања је ваздушна турбина са бројем обрта Стругање врши монокристалом дијаманта. Рендисање може да врши брзоходном јединицом са погоном помоћу пиезокристала и фреквенцом 3 khz. Управљачка јединица је FANUC Series 15i. Инкремент транслаторних оса је 1nm, а обртних º. Тачност позиционирања је ±2 nm (ако ко има управљање, може имати много). Намена: израда огледала, филтера, скала, мрежа, LCD, малих сочива, микро калупа и сличних ултра прецизних делова. ar3_nma.ppt 14

15 Ултрапрецизно глодање ar3_nma.ppt 15

16 Ултрапрецизно рендисање петоосно рендисање Ултрапрецизно брзоходно рендисање Ra= 1nm ar3_nma.ppt 16

17 Ултрапрецизно стругање и брушење стругање брушење M3 M3 (Development of an automated microfactory: Part 1 Microfactory architecture and subsystems development, University of Illinois, UIUC) Пример петоосне мезо машине алатке. Постоји и прототип троосне машине. Основна намена је обрада глодањем и бушењем. Може се прилагодити и за обраду стругањем и за обраду ласером. Површина основе је 0.3 m 2. Број обрта главног вретена је Лежишта главног вретена су аеростатичка. Погони свих помоћних кретања су сервомотори без четкица. Убрзање транслаторних оса је 6G. Инкремент енкодера транслаторних оса је 20nm, а вођице су котрљајне. Ходови транслаторних оса су 40mm, осе B 180º, а осес360º. Крутости машине: К XX =0.78 N/μm, YY=0.85 N/μm, K ZZ =0.89 N/μm. Структура микрофабрике: по једна троосна и петоосна машина, једна мерна машина и један палетни систем. ar3_nma.ppt 17

18 M4 M4 (Investigation on the key technologies of micro machine tool and prototype development, ICIRA 2008, pp ) Габарит машине је 400х320х100mm, габарит обратка је 50х50х50 mm. Машина је троосна. Има брзоходно електромоторно главно вретено. Погони помоћних кретања су ултра прецизни транслаторни серво мотори. Мерни системи су лењири. Управљање је отворене архитектуре. Има троосни прецизни динамометар за мерење сила резања. Радни простор се посматра помоћу CCD стерео микроскопа са увећањем до 240. Машина се програмира помоћу G кôда. M5 (LUMEX 25C, Matsuura Machinery, WTEC Report) M5 Машина је хибридна, дакле, припада комплексним (мултифункционалним) машинама. Намењена је за синтеровање и обраду глодањем. Синтеровање се врши у металном праху помоћу ласера. Састав праха је: 90% челика и 10% бакра. Ласерјетипа CO 2. Има снагу од 300W. Омогућава обраду глодањем великим брзинама резања. Тако се у истом обрадном систему врше и израда припремка и завршна обрада. Користи се метод додавања материјала: после сваких 5 пролаза у синтеровању врши се обрада ивица текућег слоја са просечном тачношћу до 25 μm. Храпавост површи готовог дела је око 15 μm. Тврдоћа је око 20 HRc, са планом да се достигне 40 HRc. Користи се средство за хлађење приликом обраде глодањем. Проблем су порозност готовог дела и спорост процеса. ar3_nma.ppt 18

19 M6 Сечење воденим ножем (Finecut precision cutting systems) ar3_nma.ppt 19

20 M6 (Finecut precision cutting systems) Сечење воденим ножем Примена: за медицинску опрему, накит, прецизну механику, ваздухопловство, електронику,... Може да сече скоро све материјале нема топлоте у зони резања висока прецизност и квалитет обрађене површине радијуси до 0.15 mm имање сечење димензија 0.3 mm имање толеранција: +/-0.01 mm Сечење воденим ножем (Finecut precision cutting systems) ar3_nma.ppt 20

21 Примери обрађених делова (Finecut precision cutting systems) Увод Примери технологија за микро и мезо машине алатке Примери микро и мезо машина алатки Примери микрофабрика Литература ΣΣ ar3_nma.ppt 21

22 О микрофабрикама и микро машинама алаткама ( Микро стругови Микро глодалице Микро пресе Микро роботи Микро манипулатори Микро машине за прераду пластике Микро електроерозионе машине Микро мерне машине Микромашинезаваљање Микро машине за савијање Микромашинезапросецање Микромашинезаинкременталнообликовање... Прва микрофабрика (AIST) Габарит: 625х490х380mm Маса: 34kg Једна глодалица Један струг Једна преса Један робот Један манипулатор Две ручице Један екран ar3_nma.ppt 22

23 Пример производног програма (Микро куглични лежај) спољ. пречник 900μm 3 mm конус μm пречник куглица 200μm ar3_nma.ppt 23

24 МИКРО СТРУГ MEL(Mechanical Engineering Laboratory ) Први микро струг MEL, 1996, Јапан димензије: 32.0 x 25.0 x 30.5 mm 3 тежина: 100 g X-Y осе су погоњене пиезоелектричним актуаторима главно вретено је снаге 1.5 W и остварује 10,000 min -1 може да обрађује месинг са тачношћу од 1.5 μm до 2.5 μm минимални пречник обраде је 60 μm МИКРО СТРУГ (лево: прва верзија, десно: нова верзија, са НУ) ar3_nma.ppt 24

25 МИКРО СТРУГ NC систем МИКРО СТРУГ ЛЕГО фигура осветљава радни простор микро шешир ar3_nma.ppt 25

26 МИКРО СТРУГ Генерације микро струга Прва концепција струга, без нумеричког управљања: Габарит: 32х25х30.5 mm. Маса: 100 g. Носач алата: (X,Y) стосапиезо актуаторима. Снага мотора за главно кретање: 1.5 W. Број обрта главног вретена: o/min. Храпавост у правцу помоћног кретања приликом обраде месинга: 1.5 μm. Кружност обрађеног цилиндра: 2.5 μm. Минимални пречник обраде: 60 μm. Другаконцепцијаструга, са нумеричким управљањем: Пиезо актуатори на оба помоћна кретања. Сила помоћних кретања: 3 N. Снага мотора за главно кретање: 1.5 W. МИКРО ГЛОДАЛИЦА основна машина димензије: 170х170х102mm главно вретено: DC серво мотор 36W број обрта:15600 min -1 прихват алата: 3 mm Користи се за обраду глодањем равних површина и бушење рупа ar3_nma.ppt 26

27 МИКРО ГЛОДАЛИЦА Desk-Top Milling Machine "El Chuchito" димензије машине: 450х300х380 mm брзоходно вретено min -1 Institute of Mechanical Systems Engineering (IMSE), National Institute of Advanced Science and Technology (AIST) МИКРО ГЛОДАЛИЦА Z-оса Spindle unit Encoder head DD motor Crossed roller guides Slide Nut Lead screw Ball bearing Institute of Mechanical Systems Engineering (IMSE), National Institute of Advanced Science and Technology (AIST) ar3_nma.ppt 27

28 МИКРО ГЛОДАЛИЦА Детаљи о глодалици Има двоосни (X,Y) сто са велики убрзањима по обе осе. Погонска јединица осе Z је на врху кућишта које обухвата (X,Y) сто. На оси Z је и јединица главног кретања. Осе X и Y имају котрљајне вођице и АС сервомоторе снаге 30 директно спрегнуте са рециркулационим завојним вретенима. Погон осе Z је сервомотор великог момента (Direct Drive) са четкицама. Вођица је котрљајна са четири укрштене папуче. Мотор, завојно вретено и јединица за главно кретање на оси Z су у линији ради кинематичке преодређености. Јединица за главно кретање је електормоторно главно вретено снаге 60 W. Пречник чауре за прихват алата је 1 mm. Број обрта главног вретена је o/min. Зона резања је потпуно оклопљена и снима се CCD камером пречника 7 mm. Инкремент система за нумеричко управљање је 0.1 μm. Инкременти мерних система су 50 nm. Јединица за NU има микропроцесор, операциони панел и PC за надзор и руковање. Максимална фреквенца у регулаторима оса X и Y је 500 khz. МИКРО ГЛОДАЛИЦА PC за надзор и руковање Видео монитор Микро глодалица CAD/CAM систем операциони панел Комплетан обрадни систем микроглодалице Institute of Mechanical Systems Engineering (IMSE), National Institute of Advanced Science and Technology (AIST) ar3_nma.ppt 28

29 МИКРО ГЛОДАЛИЦА обрадак: 20х20 mm алат: лоптасто глодало R0.2 дубина резања: 0.1mm у два пролаза време обраде: 130 s Хеликоидно глодање 150μm x 2 mm брз.пк: 50 mm/s дубина 0,05 mm х 40 пута = =2 mm МИКРО ГЛОДАЛИЦА National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Ibaraki, Japan. (нова верзија) 470х 480х 480 mm тежина 42 kg линеарни мотори за помоћно кретање Desktop high-speed milling machine ar3_nma.ppt 29

30 МИКРО ГЛОДАЛИЦА приказ компонената Z осе 27х26 mm Yuichi Okazaki, Desk-Top Ultra-High-Speed Milling Machine with 300krpm spindle and linear motor stages, The National Institute of Advanced Industrial Science and Technology материјал: алуминијум алат вретенасто равно глодало: 0.5 mm број обрта: min -1 зидови дебљине: 30μm размак између зидова: 1.5 mm лом алата: наступио при смањивању броја обрта на min-1 ar3_nma.ppt 30

31 МИКРО ПРЕСА Габарит: 111х66х170 mm. Снага: 100 W. Сила: 3 kn. Актуатор: рециркулационо завојно вретено. Преносник за главно кретање: зупчасти каишни преносник. Брзина притискивача и крајеви хода управљају се системом за нумеричко управљање. 60 циклуса у минути РОБОТ двопрста микро рука има 50мм дугачке стаклене игле каоп рсте. Сваки прст има пиезоелектричне актуатора Прстимаможедасеуправља као штапићима Опсег рада прстију је микрометара. Резолуција померања прстију је 1 микрометар или мање. Максимално управљива величина објекта је 200 микрометара. ar3_nma.ppt 31

32 МАНИПУЛАТОР Рука може радити унутар круга 200mm у пречнику са хоризонталном тачношћу позиционирања ~20микрометара. Машине имају модуларне јединице за разне намене Реконфигурабилне и/или комплексне машине. Неке од машина су: пећ, наношење лепка, чишћење делова, склапање два дела, филтер за припрему ваздуха, бушилица и струг. Фабрика има улазну јединицу и транспорт између станица. Специфични модули су: роботске руке, уместо манипулатора, вакуум пумпе, самонавођене палете, цевовод за воду итд. Надзор и управљање се врши помоћу РС... Микрофабрика Sankyo Seiki ar3_nma.ppt 32

33 Лејаут једне микрофабрике Управљање, ваздух и напајање Gantry робот МЕРНА МАШИНА ИЗМЕЊИВАЧ ПАЛЕТА монитор компјутера ТРООСНА МАШИНА АЛАТКА ПЕТООСНА МАШИНА АЛАТКА носач каблова Троосна машина 3-Axis mmа Петоосна машина 5-Axis mmа ar3_nma.ppt 33

34 mmt КАРАКТЕРИСТИКЕ ТРООСНЕ И ПЕТООСНЕ mmt 3-осна mmа Y мотор X мотор базиран обрадак Z мотор главно вретено 180x180x300mm габарит машине 25x25x25mm ходови оса ar3_nma.ppt 34

35 Микро мерна машина број оса: три (X, Y Z) Ласер резолуције 0.01μм Gantry РОБОТ Робот се користи за портални палетни пренос. Користи се стандардизовани интерфејси за палете на машинама. ar3_nma.ppt 35

36 носач обратка 3 NU Генерација 3 - Axis mmt Z оса Ваздушно главно вретено XY осе отвори за ваздух Три линеарна мотора са 120,000 RPM ваздушном турбином 2G убрзање радни простор 25х25х25mm резолуција 50 nm, крутост 10 N/mm брзина помоћног кретања 700mm/s, убрзање 5g Увод Примери технологија за микро и мезо машине алатке Примери микро и мезо машина алатки Примери микрофабрика Литература ΣΣ ar3_nma.ppt 36

37 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) J. Shi, J. Mi, J. Wang, K. Chen, W. Wang,G. Cai, Investigation on the Key Technologies of Micro Machine Tool and Prototype Development, ICIRA 2008, Part II, LNAI Хвала на пажњи! МАШИНЕ АЛАТКЕ И РОБОТИ НОВЕ ГЕНЕРАЦИЈЕ 2012 ar3_nma.ppt 37

38 Ако изгледа да неке литературе и нема, онда ваља видети шта каже NIST. NIST Fringe Projection System: Мерење се врши детекцијом контура и/или ивица фотограметријом. Фотограметрија је одређивање мера објекта коришћењем његове фотографије. За мерење просторних објеката користи се триангулација. Пројицирањем познатих слика омогућава се трансформација координата са система камере на спољашње координате. ar3_nma.ppt 38

39 Увод Примери технологија за микро и мезо машине алатке Примери микро и мезо машина алатки Примери микрофабрика Литература ΣΣ Уместо закључка ΣΣ1 Сатови, жироскопи и слични фини производи прављени су пре моде појма мезо и микро машина алатки и фабрика. Ова инжењерска интерпретација пре налази себи место у технолошкој револуцији Нанотехнологија, баштинећи домете претходне полупроводничке. ΣΣ2 Реафирмација машина алатки у ери технолошких револуција базирана је на управљању и програмирању машина и фабрика помоћу РС, на обрадним системима за дигиталне технологије, виртуелним обрадним системима, машинама алаткама нове генерације... ΣΣ3 Сигурно постоје границе емпиријског учења о обрадним системима за микротехнологије и треба им се ускоро надати. До тада треба припремати нову стратегију за нанотехнологије. На пример, разумети оног који каже да има ливницу у којој слаже молекуле. ΣΣ4 Изазов у микротехнологијама можда је добро одабран, јер комплекснијег од њега на земљи нема. То су живот и онај који га живи. ΣΣ5 И у микротехнологијама могу да се практикују актуелни покрети: за енергетску и еколошку ефикасност, афирмацију људског духа, умрежавање ресурса, дигиталне и/или виртуелне технологије, реконфигурабилност технолошких ресурса ради масовне производње по наруци, мултифункционалност обрадних система... ΣΣ6 Они, који крену путем микротехнологија, од ове раскрснице настављају свијим путем. ar3_nma.ppt 39