ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ Χ. ΠΑΠΑΓΕΩΡΓΙΟΥ Α.Μ.: 226822 ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΓΙΑ ΕΠΙΣΤΡΩΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΟΥ ΣΕ ΣΤΕΡΕΟ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΗ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΕ ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Επιβλέπων: Συμεών Μπεμπέλης, Αναπληρωτής Καθηγητής Νο 226822/2014 Πάτρα, Οκτώβριος 2014
- 2 -
ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΓΙΑ ΕΠΙΣΤΡΩΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΟΥ ΣΕ ΣΤΕΡΕΟ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΗ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΕ ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ Χ. ΠΑΠΑΓΕΩΡΓΙΟΥ Α.Μ.: 226822 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 20/10/2014 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Συμεών Μπεμπέλης Αναπληρωτής Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής - 3 -
- 4 -
Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: 226822/2014 ΤΙΤΛΟΣ: ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΓΙΑ ΕΠΙΣΤΡΩΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΟΥ ΣΕ ΣΤΕΡΕΟ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΗ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΕ ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Φοιτητής: Παπαγεωργίου Παναγιώτης του Χαραλάμπους Επιβλέπων: Μπεμπέλης Συμεών, Αναπληρωτής Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη και την κατασκεύη μιας αυτοματοποιημένης διάταξης επίστρωσης ηλεκτροδίου σε στερεό ηλεκτρολύτη για εφαρμογή σε κυψέλες καυσίμου. Η εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σε αυτό το πλαίσιο, σχεδιάστηκε μια εργαλειομηχανή τύπου CNC (Computer Numerical Control), υψηλής ακρίβειας, ικανή να εκτελέσει κινήσεις σε τρείς άξονες, ελεγχόμενη από μικροελεγκτή και οδηγούμενη από βηματικούς κινητήρες. Αν και ο απώτερος στόχος της εργασίας είναι η κατασκευή της διάταξης που επιτελεί το επιθυμητό έργο, προηγήθηκε εκτενής θεωρητική μελέτη και ανάλυση όλων των χαρακτηριστικών και παραγόντων του συστήματος. Αρχικά, γίνεται αναφορά στις κυψέλες καυσίμου, στους διάφορους τύπους της συγκεκριμένης τεχνολογίας καθώς και στις εφαρμογές που αυτή ενσωματώνεται. Οι κυψέλες καυσίμου, ως αντικείμενο επιστημονικής μελέτης αλλά και ως εμπορευματικό προϊόν παρουσιάζει εξαιρετικό ενδιαφέρον και έχει απασχολήσει σε μεγάλο βαθμό την επιστημονική κοινότητα τα τελευταία χρόνια λόγω της μεγάλης αποδοτικότητάς τους στην παραγωγή ενέργειας αλλά και της φιλικής προς το περιβάλλον λειτουργίας τους. Εν συνεχεία, αναλύεται ο όρος αριθμητικός έλεγχος και αναλύονται οι εφαρμογές στις οποίες αυτός χρησιμοποιείται ενώ παράλληλα γίνεται αναφορά στο - 5 -
μηχανολογικό τμήμα της κατασκευής, στα υλικά και στο σχεδιασμό τέτοιων διατάξεων. Σημαντικό μέρος της εργασίας αφιερώθηκε στους βηματικούς κινητήρες που επελέχθησαν ως κινητήρες προώσεως της εργαλειομηχανής. Αναλύονται τόσο οι τύποι βηματικών κινητήρων όσο και ο έλεγχος τους ενώ ακόμα παρουσιάζεται και η στατική αλλά και η δυναμική τους συμπεριφορά σε ένα σύστημα. Τον εγκέφαλο της διάταξης αποτελεί ο μικροελεγκτής που ενσωματώνει το πρόγραμμα λειτουργίας της εργαλειομηχανής, ο οποίος αναλύεται σε μεγάλο βαθμό ξεκινώντας από τον ορισμό του, τη φύση της λειτουργίας του και καταλήγωντας στον ειδικότερο ρόλο που διαδραματίζει στο κύκλωμα ελέγχου της διάταξης. Ακόμα, περιγράφεται η αρχή λειτουργίας και η κατασκευαστική λογική της πλακέτας ελέγχου και οδήγησης του συστήματος. Τα συμπεράσματα της εργασίας και οι μελλοντικές επεκτάσεις που πιθανώς η διάταξη επιδέχεται παρουσιάζονται ως επίλογος. - 6 -
ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών σε συνεργασία με το τμήμα Χημικών Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών, υπό τη επίβλεψη του Αναπληρωτή Καθηγητή Συμεών Μπεμπέλη, κατά τα ακαδημαϊκά έτη 2012-2013 και 2013-2014. Σκοπός της εργασίας αποτέλεσε η μελέτη και κατασκευή ηλεκτρομηχανικής διάταξης επίστρωσης ηλεκτροδίου σε στερεό ηλεκτρολύτη για μεταγενέστερη εφαρμογή σε κυψέλες καυσίμου. Πιο συγκεκριμένα: Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια σύντομη αναφορά στην τεχνολογία των κυψελών καυσίμου, στις εφαρμογές που αυτή ενσωματώνεται και στο ενδιαφέρον που παρουσιάζει από επιστημονική αλλά και εμπορικά αξιοποιήσιμη σκοπιά. Στο Κεφάλαιο 2 δίδεται ο ορισμός του αριθμητικού ελέγχου ενώ ταυτόχρονα παρατίθεται η ιστορική αναδρομή του, με σκοπό την καλύτερη κατανόηση της εξέλιξης του συγκεκριμένου τομέα. Επίσης, παρατίθενται τα βασικά μηχανολογικά μέρη της κατασκευής, οι ιδιαιτερότητες που παρουσιάζουν και το ρόλο που αυτά διαδραματίζουν στη λειτουργία μιας τέτοιου είδους εργαλειομηχανής. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας των βηματικών κινητήρων, τα διάφορα είδη που αυτοί παρουσιάζουν, ενώ ταυτόχρονα αναλύεται η στατική και η δυναμική τους συμπεριφορά. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται ιδιαίτερη μνεία στα κυκλώματα οδήγησης των βηματικών κινητήρων, τις διαφορές που παρουσιάζουν μαζί με τα συγκρινόμενα μεταξύ τους πλεονεκτήματα-μειονεκτήματα. Σημαντικό μέρος του κεφαλαίου έχει αφιερωθεί στον έλεγχο τέτοιου είδους κυκλωμάτων, ο οποίος διακρίνεται σε ανοικτού και κλειστού βρόχου και περιγράφεται αναλυτικά. Στο Κεφάλαιο 5 περιγράφεται η έννοια του μικροελεγκτή γενικότερα αλλά και του χρησιμοποιηθέντα στην παρούσα διπλωματική εργασία μικροελεγκτή ειδικότερα (Microchip dspic30f4011). - 7 -
Η κατασκευαστική λογική του κυκλώματος ελέγχου και οδήγησης της διάταξης παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 6, μαζί με την περιγραφή των σημαντικότερων στοιχείων που απαρτίζουν την πλακέτα που κατασκευάστηκε και μια γενική επεξήγηση σε μορφή διαγράμματος ροής του υλοποιηθέντα κώδικα του προγράμματος. Στο Κεφάλαιο 7 παρατίθενται τα συμπεράσματα που προέκυψαν απ την εκπόνηση της εργασίας και τρόποι που θα μπορούσαν να βελτιώσουν την διάταξη στην παρούσα φάση της. Ως παραρτήματα, παρουσιάζονται σχέδια της εργασίας και τεχνικά φυλλάδια κατασκευαστών για στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν στην πλακέτα ελέγχου και οδήγησης. - 8 -
Ευχαριστίες Σε αυτό το σημείο θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Μπεμπέλη Συμεών για την ανάθεση αυτού του απαιτητικού, ομολογουμένως, θέματος, την ουσιαστική καθοδήγησή του και την αγαστή συνεργασία που επέδειξε όλο αυτό το διάστημα κατά την εκπόνηση της παρούσης διπλωματικής εργασίας. Ιδιαίτερες ευχαριστίες αρμόζουν επίσης στον κ. Επαμεινώνδα Μητρονίκα, Επίκουρο Καθηγητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών, για τις χρήσιμες παρατηρήσεις του ως προς τον σχεδιασμό του συστήματος και τη πολύτιμη αρωγή που προσέφερε συνολικά. Καθώς η εργασία αποτελεί διατμηματικό έργο μεταξύ του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών και του τμήματος Χημικών Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών, δεν θα μπορούσα να παραλείψω απ τις ευχαριστίες τον υποψήφιο διδάκτορα Αλέξανδρο Σαφάκα για την συνεισφορά του στην εργασία και την βοήθεια που προσέφερε σε διάφορους τομείς. Ακόμα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα Παπαθανασόπουλο Δημήτριο του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, ο οποίος συνέβαλλε επίσης στο τελικό στάδιο της υλοποίησης του κυκλώματος ελέγχου της εργασίας, υπό χρονικά πιεστικές συνθήκες. Τέλος, ευχαριστώ πολύ την οικογένεια μου πρωτίστως, αλλά και τους φίλους και τους δικούς μου ανθρώπους για την κατανόηση, την υπομονή και την υποστήριξη τους καθ όλη την διάρκεια της υλοποίησης της εργασίας. - 9 -
Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1:Fuel cells 1.1 Εισαγωγή...15 1.2 Τύποι κυψελών καυσίμου 1.2.1 Κυψέλες καυσίμων με ηλεκτρολύτη τήγμα ανθρακικών αλάτων (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).18 1.2.2. Κυψέλες καυσίμων με στερεό οξειδικό ηλεκτρολύτη ( Solid Oxide Fue Cells, SOFC)...19 1.2.3 Κυψέλες καυσίμων με ηλεκτρολύτη πολυμερική μεμβράνη (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, PEMFC)...20 1.2.4 Κυψέλες καυσίμων με ηλεκτρολύτη φωσφορικό οξύ(phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC)...22 1.2.5 Κυψέλες καυσίμων με αλκαλικό ηλεκτρολύτη (Alkaline Fuel Cells,AFC)...23 Κεφάλαιο 2:CNC 2.1 Αριθμητικός έλεγχος...25 2.1.1 Ορισμός του Αριθμητικού Ελέγχου 25 2.1.2 Πλεονεκτήματα και περιορισμοί του Αριθμητικού Ελέγχου..25 2.1.3 Ιστορική αναδρομή...26 2.2 Βασικές εφαρμογές και κύρια μέρη στις επιτραπέζιες εργαλειομηχανές αριθμητικού ελέγχου..30 2.2.1 Υλικά κατασκευής 32 2.3 Συστήματα οδήγησης...32 2.3.1 Στρογγυλές ράγες (Round Rails)...33 2.3.2 Τετράγωνες ράγες( προφίλ-profile Rails).34 2.3.3 V-Style Roller 34 2.4 Συστήματα μετάδοσης κίνησης...35-10 -
2.4.1 Κοχλίες και περικόχλια...35 2.4.2 Κοχλίες...37 2.4.3 Ballscrews...38 2.5 Αξονες και συστήματα συντεταγμένων...39 2.5.1 Καρτεσιανές συντεταγμένες στο επίπεδο και στο χώρο...39 2.5.2 Πολικές συντεταγμένες στο επίπεδο και στο χώρο...40 2.5.3 Απόλυτες και σχετικές συντεταγμένες...41 Κεφάλαιο 3: Βηματικοί κινητήρες 3.1 Εισαγωγή..43 3.2 Αρχή λειτουργίας....44 3.3 Βηματικοί κινητήρες μόνιμου μαγνήτη..45 3.4 Βηματικοί κινητήρες μεταβλητής μαγνητικής αντίστασης.46 3.5 Υβριδικοί βηματικοί κινητήρες...48 3.6 Σύγκριση - Συμπεράσματα...50 3.7 Στατικά χαρακτηριστικά βηματικών κινητήρων...51 3.7.1 Χαρακτηριστικές στατικής ροπής/θέσης δρομέα..51 3.7.2 Σφάλμα θέσης λόγω ροπής φορτίου..52 3.7.3 Επιλογή ακολουθίας διέγερσης...54 Κινητήρες μεταβλητής μαγνητικής αντίδρασης(vr).55 Υβριδικοί κινητήρες..57 Μικρο-βηματισμός (micro-stepping)...58 3.7.4 Φορτίο συνδεδεμένο με κοχλία (leadscrew)...59 3.8 Δυναμικά χαρακτηριστικά βηματικών κινητήρων..60 3.8.1 Χαρακτηριστική ροπής/ταχύτητας...60-11 -
3.8.2 Σχέση ροπής ανατροπής και στατικής ροπής 61 3.8.3 Μηχανικός συντονισμός.66 3.8.4 Λειτουργία βηματικών κινητήρων σε υψηλές ταχύτητες.68 Χαρακτηριστική καμπύλη ροπής/ ταχύτητας υβριδικού κινητήρα..70 Υπολογισμός ροπής ανατροπής..74 Χαρακτηριστική ροπής ανατροπής/ταχύτητας για κινητήρες μεταβλητής μαγνητικής αντίδρασης 78 Παράγοντας αντιστάθμισης ροπής..82 Υπολογισμός ροπής ανατροπής..85 Κεφάλαιο 4:Κυκλώματα οδήγησης και έλεγχος βηματικών κινητήρων 4.1 Εισαγωγή..87 4.2 - Οδήγηση σταθερής-τάσης..87 4.3 - Μονοπολική οδήγηση (Unipolar drive circuit)...88 4.4 - Διπολική οδήγηση (Bipolar drive circuit)..90 4.5 - Οδήγηση κινητήρων διπλού νήματος (Bifilar windings)..92 4.6 - Οδήγηση κατατμητού (Chopper Drive)..95 4.7 - Έλεγχος βηματικών κινητήρων 4.7.1 - Γενικά...98 4.7.2 Έλεγχος ανοικτού βρόχου ( Open-loop control) 98 Ρυθμός εκκίνησης/ανατροπής..99 Επιτάχυνση/Επιβράδυνση..102 4.7.3 Έλεγχος κλειστου βρόχου (Closed loop control)..105 Οπτικός προσδιορισμός θέσης...106 Μέθοδος μεταβολής γωνίας 107-12 -
Εναλλάκτικοι μέθοδοι προσδιορισμού θέσης 109 Ανίχνευση κυματομορφών μέσω της Η.Ε.Δ. 110 Ανίχνευση κυματομορφής μέσω της φασικής αυτεπαγωγής...112 4.8.4 - Σύγκριση ελέγχου ανοικτού - κλειστού βρόχου...115 Κεφάλαιο 5: Μικροελεγκτής 5.1 Γενικά.117 5.2 Περιγραφή του μικροελεγκτή dspic30f4011 122 5.2.1 Περιφερειακές μονάδες dspic30f4011 127 Θύρες Εισόδου/Εξόδου..129 Χρονιστές.130 Μετατροπέας σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό 130 Γεννήτριες PWM...131 5.3 Αναπτυξιακά εργαλεία του dspic30f4011..133 Κεφάλαιο 6: Μελέτη κυκλώματος ελέγχου 6.1 Κατασκευαστική λογική 6.1.1 Γενικά..137 6.1.2 Κατασκευή της πλακέτας οδήγησης και ελέγχου..137 Το ολοκληρωμένο SLA7078M (Allegro MicroSystems, LLC)..138 Ρυθμιστής τάσης LM7805..144 Οθόνη LCD(Hitachi HD44780) 145 Μπουτόν...146 Οριακοί (ή τερματικοί) διακόπτες( Limit Switches).146 6.2Λογική λειτουργίας..147-13 -
6.3Διάγραμμα ροής..149 Κεφάλαιο 7:Συμπεράσματα-μελλοντικές επεκτάσεις 7.1 Συμπεράσματα..151 7.2 Μελλοντικές επεκτάσεις.152 Βιβλιογραφία..153 Παράρτημα Α: Σχέδια. 155 Παράρτημα Β: Datasheets...157-14 -
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Κυψέλες Καυσίμων [6][7] 1.1 Εισαγωγή Οι κυψέλες καυσίμων (fuel cells) είναι ηλεκτροχημικές συσκευές (γαλβανικά στοιχεία) στις οποίες η χημική ενέργεια ενός καυσίμου,όπως το υδρογόνο,μετατρέπεται άμεσα(απουσία χημικής καύσης) σε ηλεκτρική ενέργεια(και θερμότητα) με υψηλή θερμοδυναμική απόδοση και με τρόπο ιδιαίτερα φιλικό προς το περιβάλλον. Η αρχή λειτουργίας των κυψελών καυσίμου είναι παρόμοια με αυτή των μπαταριών, υπάρχουν ωστόσο σημαντικές σημαντικές διαφορές ανάμεσα στις δύο διατάξεις. Οι μπαταρίες είναι συσκευές αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ οι κυψέλες καυσίμου είναι συσκευές παραγωγής ενέργειας. Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται από μια μπαταρία μόνο μέχρι να καταναλωθούν πλήρως τα χημικά της αντιδρώντα ενώ αντιθέτως μια κυψέλη καυσίμου μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια όσο αυτή τροφοδοτείται με καύσιμο και οξειδωτικό μέσο. Η τεχνολογία των κυψελών καυσίμου παρουσιάζει εξαιρετικό ενδιαφέρον και έχει απασχολήσει σε μεγάλο βαθμό την επιστημονική κοινότητα τα τελευταία χρόνια λόγω της μεγάλης αποδοτικότητάς τους στην παραγωγή ενέργειας αλλά και της φιλικής προς το περιβάλλον λειτουργίας τους. Η μέγιστη απόδοση των κυψελών καυσίμου κυμαίνεται μεταξύ του 60-65% (με βάση υπολογισμού την κατώτερη θερμογόνο δύναμη του καυσίμου). Η υψηλή απόδοση, η οποία είναι δυνατό να υπερβεί την τιμή 70% σε συνδυασμένα συστήματα κυψελών καυσίμωναεριοστροβίλων, οφείλεται στο γεγονός ότι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται χωρίς τους εγγενείς περιορισμούς Carnot των συμβατικών θερμικών συστημάτων ηλεκτροπαραγωγής. Μια κυψέλη καυσίμου αποτελείται απο τρία κύρια μέρη: τον ηλεκτρολύτη, το ηλεκτρόδιο της ανόδου και το ηλεκτρόδιο της καθόδου. Στο ηλεκτρόδιο της ανόδου συμβαίνει αυθόρμητα ηλεκτροχημική οξείδωση και στο ηλεκτρόδιο της καθόδου αναγωγή του οξυγόνου, με ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία αντιστοιχεί σε μετακίνηση ηλεκτρονίων απ την άνοδο στην κάθοδο διαμέσου ενός εξωτερικού κυκλώματος. Στο Σχήμα (1.1) παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας μιας κυψέλης καυσίμων, με καύσιμο υδρογόνο και στερεό ηλεκτρολύτη αγωγό ιόντων ΟΟ 2. - 15 -
Σχήμα (1.1): Σχηματικό διάγραμμα κυψέλης(στοιχείου) καυσίμου στην οποία λαμβάνει χώρα οξείδωση ΗΗ 2 με παράλληλη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας [7] Ορισμένα από τα πιο ουσιώδη πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν οι κυψέλες καυσίμου είναι τα εξής: Αθόρυβη λειτουργία, μικρές απαιτήσεις συντήρησης και μικρότεροι κίνδυνοι αστοχίας, καθότι δεν συντελείται χημική καύση και απουσιάζουν κινούμενα μέρη. Είναι ιδανικές για συνδυασμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι κυψέλες καυσίμου, ταυτόχρονα με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας παράγουν και θερμότητα, η οποία διατίθεται σε θερμοκρασία ελαφρώς χαμηλότερη από τη θερμοκρασία λειτουργίας τους. Δυνατότητα χρησιμοποίησης και άλλων ειδών καυσίμου εκτός απ το υδρογόνο (π.χ. φυσικό αέριο, άνθρακας, μεθανόλη και αλκοόλη). Τα καύσιμα αυτά θα πρέπει στις περισσότερες των περιπτώσεων, να μετατραπούν σε υδρογόνο σε μονάδες αναμόρφωσης (reformers) ή μονάδες αεριοποίησης του άνθρακα (coal gasifiers) πριν τροφοδοτηθούν στις κυψέλες καυσίμων. Τα συστήματα κυψελών καυσίμων παρουσιάζουν ευελιξία σε σχέση με την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ, η οποία κυμαίνεται απο λίγα W έως περίπου 100MW (σε εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής). Συγκριτικά με τα συμβατικά θερμικά συστήματα παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα: Μεγαλύτερο συντελεστή απόδοσης Η απόδοση ηλεκτρικής ενέργειας διατηρείται σε υψηλά επίπεδα ακόμα και για μονάδες μικρής ισχύος (σε αντίθεση π.χ. με τους βενζινοκινητήρες) - 16 -
Η απόδοση ηλεκτρικής ενέργειας είναι υψηλή και υπό συνθήκες μερικού φορτίο (εν αντιθέσει με τα συμβατικά συστήματα καύσης όπου ο συντελεστής απόδοσης παρουσιάζει διακυμάνσεις ανάλογα με το φορτίο) Σ αυτό το σημείο θα πρέπει να τονισθεί ότι ο συντελεστής απόδοσης ηλεκτροπαραγωγής ενός συστήματος κυψελών καυσίμων εξαρτάται απ τις επιμέρους αποδόσεις των επιμέρους κυρίων στοιχείων που αποτελούν το σύστημα, δηλαδή, τη συστοιχία (stack) των κυψελών, της μονάδας αναμόρφωσης,το είδος του καυσίμου (π.χ. φυσικό αέριο ή άλλο καύσιμο εκτός του υδρογόνου) και τέλος της μονάδας μετατροπής συνεχούς ρεύματος σε εναλασσόμενο ρεύμα. Ίσως ένα απ τα βασικότερα πλεονεκτήματα των κυψελών καυσίμων είναι η φιλικότητα στο περιβάλλον, εφόσον η επιβάρυνση από εκπεμπόμενους ρύπους κατά τη λειτουργία τους θεωρείται αμελητέα. Στην περίπτωση τροφοδοσίας τους με καύσιμο εκτός του υδρογόνου, όπως φυσικό αέριο, η ποσότητα των εκπομπόμενων ρύπων είναι κατά δύο τάξεις μεγέθους κατώτερη από εκείνη που παρατηρείται στα συμβατικά θερμικά συστήματα. Στην περίπτωση δε που χρησιμοποιείται το υδρογόνο ως καύσιμο δεν παράγονται καθόλου ρύποι. Εάν το υδρογόνο αποτελέσει μακροπρόθεσμα κύρια ενεργειακή συνιστώσα (energy vector), ενώ ταυτόχρονα μειωθεί το κόστος παραγωγής των κυψελών καυσίμων και αυξηθεί ο ωφέλιμος χρόνος ζωής τους, η συγκεκριμένη τεχνολογία αναμένεται να γίνει περισσότερο ελκυστική και να καλύψει ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών. Σ αυτό το πλαίσιο, παρατηρείται έντονη ερευνητική δραστηριότητα παγκοσμίως, με σκοπό την ανάπτυξη νέων υλικών (ηλεκτροδίων, ηλεκτρολυτών, κ.λ.π.) για χρήση στις κυψέλες καυσίμων, με στόχο τη μείωση των ενεργειακών απωλειών και την αύξηση της απόδοσής τους, με παράλληλη επίλυση προβλημάτων που σχετίζονται με τη σταδιακή υποβάθμιση της λειτουργίας τους. 1.2 Τύποι κυψελών καυσίμου Οι κυψέλες καυσίμων κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τον ηλεκτρολύτη, τη θερμοκρασία λειτουργίας, την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ ανά μονάδα επιφανείας ηλεκτροδίων (πυκνότητα ισχύος, power density), την αντοχή σε θερμική καταπόνηση, τις απαιτήσεις καθαρότητας του καυσίμου κλπ. Οι διάφοροι τύποι που προκύπτουν παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές μεταξύ τους καθιστώντας κάθε είδος κυψέλης καυσίμου ιδανική για συγκεκριμένη εφαρμογή. Με βάση τον χρησιμοποιούμενο ηλεκτρολύτη, διακρίνονται οι εξής πέντε τύποι κυψελών καυσίμων, των οποίων το τεχνολογικό επίπεδο ανάπτυξης είναι διαφορετικό: - 17 -
1.2.1 Κυψέλες καυσίμων με ηλεκτρολύτη τήγμα ανθρακικών αλάτων (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC) Ως ηλεκτρολύτης χρησιμοποιείται ένα μίγμα ανθρακικών αλκαλίων, το οποίο βρίσκεται σε υγρή μορφή (τήγμα) στη θερμοκρασία λειτουργίας της κυψέλης καυσίμων. Η παρασκευή του μίγματος ποικίλλει αλλά συνήθως αποτελείται από ανθρακικό λίθιο ή ανθρακικό κάλιο. Αυτός ο ηλεκτρολύτης περιέχεται μέσα σε μια πορώδη κεραμική μήτρα. Στο Σχήμα (1.2) παρουσίαζεται η σχηματική αναπράσταση μιας κυψέλης καυσίμου τέτοιου τύπου. Σχήμα (1.2): Σχηματική αναπαράσταση μιας κυψέλης καυσίμου τύπου MCFC.[7] Ο συντελεστής απόδοσης για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με MCFC s έχει τυπικά τιμή 50-55%, ενώ η ποσότητα των εκπεμπόμενων ρυπών είναι, όπως σε όλες τις κυψέλες καυσίμων, αμελητέα. Οι MCFC λειτουργούν τυπικά σε θερμοκρασία 650 C, συνήθως με καύσιμο φυσικό αέριο το οποίο πριν απο τη διοχέτευσή του στην κυψέλη καυσίμου υφίσταται αναμόρφωση ή μερική οξείδωση, οπότε τελικά τροφοδοτούνται στην άνοδο CCCC και ΗΗ 2, τα οποία οξειδώνονται ηλεκτροχημικά σύμφωνα με τις αντιδράσεις: ΗΗ 2 + CCCC 2 3 HH 2 OO + CCCC 2 + 2ee και CCCC + CCCC 2 3 2CCCC 2 + 2ee Το παραγόμενο CCCC 2 ανακυκλώνεται στην κάθοδο, όπου λαμβάνει χώρα η ηλεκτροχημική αντίδραση: 1 2 2 ΟΟ 2 + CCCC 2 + 2ee CCCC 3 Παρά τα πλεονεκτήματα τα οποία παρουσιάζουν οι MCFC, υπάρχει ένας αριθμός τεχνικών προβλημάτων τα οποία δεν έχουν επιλυθεί σε ικανό βαθμό. Τα προβλήματα αυτά, κατά κύριο λόγο είναι τα προβλήματα διάβρωσης (ισχυρά διαβρωτικός ηλεκτρολύτης) και - 18 -
σταδιακής υποβάθμισης της λειτουργίας τους (η οποία οφείλεται σε διάφορους παράγοντες). Το κόστος των συστημάτων κρίνεται ως υψηλό, προς το παρόν, εξαιτίας των απαιτούμενων ιδιαίτερων τεχνικών κατασκευής των μεταλλικών και κεραμικών τμημάτων της μονάδας MCFC, της ανάγκης μεταφοράς CCCC 2 από την άνοδο στην κάθοδο και αναπλήρωσης των σταδιακών απωλειών του ηλεκτρολύτη, της χαμηλής αντοχής των ηλεκτροδίων σε δηλητηρίαση απο θειοενώσεις και του απαιτούμενου βοηθητικού εξοπλισμού (π.χ. εναλλάκτες θερμότητας). Η σχετικά μικρή πυκνότητα ρεύματος κατά τη λειτουργία τους (τυπικά 0.2 AAcccc 2 ) οδηγεί επίσης σε αύξηση του κόστους της συστοιχίας ανά μονάδα παραγόμενης ισχύος. Η εφαρμογή των MCFC περιορίζεται σε συστήματα μεγάλης ισχύος. Έχουν εγκατασταθεί και λειτουργήσει ή λειτουργούν μονάδες MCFC με ηλεκτρική ισχύ απο 10kW έως 2ΜW, με μέγιστο χρόνο σταθερής λειτουργίας έως περίπου 20.000 ώρες, ενώ ενδιαφέρον παρουσιάζει και η εφαρμογή τους σε μονάδες συμπαραγωγής ηλεκτρικής ισχύος 250-1000kW και θερμότητας. 1.2.2. Κυψέλες καυσίμων με στερεό οξειδικό ηλεκτρολύτη (Solid Oxide Fuel Cells,SOFC) Ο στερεός ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιείται κατά κανόνα στις κυψέλες καυσίμου τύπου SOFC είναι σταθεροποιημένος με οξείδιο του υττρίου ζιρκόνια ZZZZOO 2 (ή YYYYYY ), ένας αγωγός ιόντων ΟΟ 2 με μεγάλη σταθερότητα και ικανοποιητική ιοντική αγωγιμότητα στην τυπική θερμοκρασία λειτουργίας των SOFC (750-1000 C). Ως άνοδος χρησιμοποιείται πορώδες κεραμομεταλλικό ηλεκτρόδιο NNNN YYYYYY(NNNN YYYYYY cccccccccccc) ενώ ως κάθοδος χρησιμοποιείται πορώδες περοβσκιτικό οξείδιο,το οποίο στις συνθήκες λειτουργίας των SOFC συμπεριφέρεται κύρια ως ηλεκτρονικός αγωγός και παρουσιάζει σημαντική καταλυτική ενεργότητα για την αναγωγή του OO 2. Οι αντιδράσεις ανόδου,καθόδου και η συνολική αντίστοιχα, για καύσιμο HH 2, είναι οι εξής: HH 2 + OO 2 HH 2 OO + 2ee 1 2 OO 2 + 2ee OO 2 Και παρουσιάζονται στο Σχήμα (1.3). HH 2 + 1 2 OO 2 HH 2 OO Υπάρχουν δύο βασικοί σχεδιασμοί των SOFC, ο επίπεδος (planar) και ο σωληνωτός (tubular) σχεδιασμός, όπως αυτοί διακρίνονται στα Σχήματα (1.3α) και (1.3β). - 19 -
Σχήμα(1.3): Βασικοί σχεδιασμοί των SOFC:α) επίπεδος, β) σωληνωτός σχεδιασμός[7] Ο πρώτος είναι περισσότερο λειτουργικός και φθηνός, δεδομένου ότι διευκολύνει την κατασκευή συστοιχιών SOFC ενώ παράλληλα οι ωμικές απώλεις είναι μικρότερες λόγω της μικρότερης διαδρομής του ρεύματος και η πυκνότητα της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος μεγαλύτερη. Όπως και στην περίπτωση των MCFC, εκτός από HH 2 είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο, άνθρακας, φυσικό αέριο και άλλα καύσιμα. Συγκρινόμενες ειδικά με τις MCFC, οι SOFC παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα. Στην μεν περίπτωση των SOFC δεν αντιμετωπίζονται προβλήματα διάβρωσης και διαχείρισης του ηλεκτρολύτη, ενώ η πυκνότητα παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος (για SOFC επίπεδου σχεδιασμού) είναι τυπικά τετραπλάσια, εκείνης στην περίπτωση των MCFC. Στην περίπτωση των SOFC, συντελεστής απόδοσης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι τυπικά 50-55%. Σήμερα λειτουργούν συστήματα SOFC με παραγόμενη ισχύ έως 250kW (Siemens-Westinghouse). Παρά τα πλεονεκτήματα τα οποία παρουσιάζει αυτή η τεχνολογία, απαιτείται περαιτέρω έρευνα σχετική με τη βελτίωση των ιδιοτήτων και των μεθόδων παρασκευής των υλικών κατασκευής τους. Οι τεχνικές παραραγωγής των SOFC είναι δαπανηρές, ενώ η ευθραυστότητα των κεραμικών τμημάτων αποτελεί φραγμό στην κλιμάκωση του μεγέθους τους. 1.2.3 Κυψέλες καυσίμων με ηλεκτρολύτη πολυμερική μεμβράνη(polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells,PEMFC) Σ αυτόν τον τύπο κυψελών καυσίμου, ο ηλεκτρολύτης είναι μια πολυμερική μεμβράνη (τυπικά με πάχος 50-200μm), δια της οποίας άγονται ιόντα υδρογόνου. Για τον λόγο αυτό, οι PEMFC είναι γνωστές και ως κυψέλες καυσίμου με ηλεκτρολύτη μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Συνήθως χρησιμοποιείται ως στερεός - 20 -
ηλεκτρολύτης Nafion, ένα αγώγιμο πολυμερές.οι αντιδράσεις ανόδου, καθόδου και η συνολική είναι αντίστοιχα: ΗΗ 2 2ΗΗ + + 2ee 1 2 OO 2 + 2ΗΗ + + 2ee HH 2 OO ΗΗ 2 + 1 2 OO 2 HH 2 OO Σχήμα(1.4): Σχηματική αναπαράσταση ενός PEMFC[20] Οι κυψέλες καυσίμου τύπου PEMFC (με μεμβράνη Nafion) λειτουργούν τυπικά σε θερμοκρασία περιπού 80 C (αν και μπορούν να λειτουργήσουν και σε θερμοκρασία δωματίου) με συντελεστή απόδοσης ηλεκτρικής ισχύος 40-50%. Είναι κατάλληλες για χρήση σε οχήματα και φορητές συσκεύες, καθώς επίσης και για συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας για κάλυψη αναγκών κτιρίων. Αν και η απόδοση τους είναι παρόμοια ή μικρότερη από εκείνη των MCFC ή των SOFC, παρουσιάζουν το πλεονέκτημα ότι υπάρχουν συγκριτικά σημαντικά περιθώρια για επίτευξη ενός οικονομικά αποδεκτού κόστους κατασκευής,εδικά όσον αφορά στην στυστοιχία κυψελών καυσίμων. Οι παράγοντες που ευνοούν αυτή τη μείωση του κόστους είναι: Υψηλή τιμή της παραγόμενης πυκνότητας ρεύματος ( μέχρι 1 ΑΑcccc 2 στα 0.7 VV) Χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας Δυνατότητα φθηνής μαζικής παραγωγής των χρησιμοποιούμενων διατάξεων ηλεκτροδίων/μεμβράνης - 21 -
Εξαιτίας του χαμηλότερου κόστους τους, οι PEMFC πιθανά αποτελούν τον μόνο τύπο κυψελών ο οποίος θα αποτελέσει μια οικονομικά βιώσιμη εναλλακτική λύση για την κίνηση των οχημάτων, δεδομένου και του μικρού χρόνου ψυχρής εκκίνησης. Επίσης καθίσταται δυνατή η εφαρμογή των PEMFC για συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας σε κτίρια, για παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε φορητές συσκευές και σε εξοπλισμό ευρισκόμενο σε απομακρυσμένες περιοχές. 1.2.4 Κυψέλες καυσίμων με ηλεκτρολύτη φωσφορικό οξύ(phosphoric Acid Fuel Cells,PAFC) Οι κυψέλες καυσιμων με ηλεκτρολύτη φωσφορικό οξύ (PAFC) αποτελούν έναν απ τους παλαιότερους τύπους κυψελών καυσίμων και είναι διαθέσιμες εμπορικά ως μονάδες των 200kW. Τα ηλεκτρόδια των PAFC είναι γενικά καταλύτες με βάση των λευκόχρυσο PP tt, διεσπαρμένοι πάνω σε πορώδες υδρόφοβο υπόστρωμα με βάση των άνθρακα. Οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στα δύο ηλεκτρόδια είναι ίδιες με εκείνες στην περίπτωση των PEMFC: ΗΗ 2 2ΗΗ + + 2ee 1 2 OO 2 + 2ΗΗ + + 2ee HH 2 OO ΗΗ 2 + 1 2 OO 2 HH 2 OO Σχημα(1.5): Σχηματική αναπαράσταση ενός PAFC[20] Οι PAFC λειτουργούν σε θερμοκρασία περίπου 200 C με συντελεστή απόδοσης ηλεκτρικής ισχύος 40-45%, για καύσιμο CCCC 4. Οι μεγαλύτερες τιμές του συντελεστή ηλεκτρικής απόδοσης λαμβάνονται για λειτουργία υπό πίεση (pressurized design), η οποία παρουσιάζει όμως υψηλότερο κόστος. Σήμερα υπάρχουν PAFC συστήματα με ισχύ από 5 έως 20MW, τα οποία χρησιμοποιούνται κύρια για συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας σε κτίρια κατοικιών, νοσοκομεία, εμπορικά κέντρα κλπ. Η σχετικά χαμηλή θερμοκρασία - 22 -
λειτουργίας των PAFC καθιστά αυτά τα συστήματα λιγότερο κατάλληλα για συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας σε βιομηχανικές μονάδες. 1.2.5 Κυψέλες καυσίμων με αλκαλικό ηλεκτρολύτη(alkaline Fuel Cells,AFC) Οι κυψέλες καυσίμων με αλκαλικό ηλεκτρολύτη (AFC) χρησιμοποιούν ως ηλεκτρολύτη υδατικό διάλυμα KOH συγκαρτούμενο σε ανόργανη μήτρα ή σε ασυνεχή ανακυκλοφορία. Οι αντιδράσεις ανόδου, καθόδου και η συνολική αντίστοιχα είναι: HH 2 + 2(OOOO) 2HH 2 OO + 2ee 1 2 OO 2 + HH 2 OO + 2ee 2(OOOO) HH 2 + 1 2 OO 2 HH 2 OO Σχήμα(1.6): Σχηματική αναπαράσταση ενός AFC[20] Η ηλεκτροχημική αντίδραση αναγωγής του OO 2 είναι σημαντικά ταχύτερη για αλκαλικό ηλεκτρολύτη σε σχέση με όξινο ηλεκτρολύτη (PAFC,PEMFC), με αποτέλεσμα μεγαλύτερη απόδοση παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος για την ίδια πυκνότητα ρεύματος, καθώς και δυνατότητα χρήσης μη-ευγενών μετάλλων ως ηλεκτροδίων ή μείωσης της ποσότητας των ευγενών μετάλλων. Η θερμοκρασία λειτουργίας τους κυμαίνεται απο 65 C σε ατμοσφαιρική πίεση έως 200-230 C για συστήματα υπό πίεση(~5 MPa), ενώ ο συντελεστής απόδοσης παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος (με καύσιμο καθαρό HH 2 ) είναι τυπικά 50-60%. Οι κυψέλες καυσίμων τύπου AFC έχουν χρησιμοποιηθεί κυρίως σε διαστημόπλοια και υποβρύχια αλλά και σε λειτουργία κίνησης οχημάτων,όπως μικρών λεωφορείων. Εξαιτίας της αντίδρασης του αλκαλικού ηλεκτρολύτη με το CCCC 2, οι AFC λειτουργούν μόνο με υψηλής καθαρότητας HH 2 και οξειδωτικό, γεγονός που αποτρέπει τη χρήση αέρα ως οξειδωτικού - 23 -
καθώς αυτός περιέχει σημαντικά ποσόστα CCCC 2, περιορίζοντας ταυτόχρονα τη χρήση των AFC στις μεταφορές,σε σχέση με τις κυψέλες καυσίμου τύπου PEMFC. Παρά το περιορισμένο εύρος πιθανών εφαρμογών, πέραν των διαστημικών, παρουσιάζεται σημαντικό ερευνητικό ενδιαφέρον για τη βελτίωση και ανάπτυξή τους. Στον πίνακα που ακολουθεί γίνεται μια συνοπτική περιγραφή - σύγκριση των των βασικών χαρακτηριστικών και συνθηκών λειτουργίας για τους διάφορους τύπους κυψελών καυσίμου. Πίνακας 1.1: Βασικά χαρακτηριστικά και συνθήκες λειτουργίας διαφόρων τύπων κυψελών καυσίμου[6] - 24 -
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Εργαλειομηχανές CNC[4],[5],[13],[14],[16],[19] 2.1 Αριθμητικός Έλεγχος 2.1.1 Ορισμός του Αριθμητικού Ελέγχου Αριθμητικός έλεγχος εργαλειομηχανών είναι ο τύπος ελέγχου που χρησιμοποιεί αριθμητικές τιμές για την αναφορά στη θέση και την κίνηση των αξόνων της μηχανής για τον ορισμό εργαλείων, στροφών ατράκτου κλπ. Η έννοια «άξονας κίνησης μηχανής» αναφέρεται σε ένα κινηματικό άξονα που αντιστοιχεί συνήθως σε γραμμική κίνηση, όπως η πρόωση του τραπεζιού μιας φρέζας ή σε περιστροφική κίνηση, όπως η περιστροφή του διαιρέτη της φρέζας. Μία σειρά τέτοιων αριθμητικών τιμών αποτελεί ουσιαστικά το πρόγραμμα αριθμητικού ελέγχου. Τα σημερινά συστήματα ελέγχου CNC (αριθμητικός έλεγχος με Η/Υ) χρησιμοποιούν επιπρόσθετα αριθμητικές τιμές και για λειτουργίες, όπως ο μετασχηματισμός συστημάτων συντεταγμένων, η διαχείριση πινάκων δεδομένων, η αντιστάθμιση διαμέτρου και μήκους εργαλείου κλπ. Αυτές καθώς και επιπρόσθετες λειτουργίες γραφικών, επικοινωνίας με άλλους Η/Υ και περιφερειακά αντιδιαστέλλουν τον απλό αριθμητικό έλεγχο (NC) με αυτόν που βασίζεται σε ηλεκτρονικό υπολογιστή (CNC). Σήμερα πλέον δεν υφίσταται NC με την αρχική του έννοια, απλά CNC και αυτό εννοούμε πλέον με τον όρο «αριθμητικός έλεγχος». 2.1.2 Πλεονεκτήματα και περιορισμοί του Αριθμητικού Ελέγχου Σε αντίθεση με τον παλαιότερο μηχανικό, πνευματικό ή υδραυλικό έλεγχο μηχανών και συσκευών, όπου ο αναπρογραμματισμός ήταν εξαιρετικά χρονοβόρος διότι γινόταν με μετατόπιση οριακών διακοπτών, βυσμάτων καλωδίων κλπ., αλλά και με τις πρώτες μονάδες αριθμητικού ελέγχου όπου η κύρια λειτουργία ήταν η μετατροπή αριθμητικών τιμών σε ηλεκτρικά σήματα, οι σημερινές μονάδες CNC εκτελούν σχετικά μεγάλης έκτασης επεξεργασία των δεδομένων, κάτι που τους προσθέτει λειτουργικότητα αλλά και πολυπλοκότητα. Το βασικότερο κίνητρο στην ανάπτυξη των εργαλειομηχανών με σύστημα αριθμητικού ελέγχου αποτέλεσε η ανάγκη για υψηλή ακρίβεια στις κατασκευές εξαρτημάτων πολύπλοκης γεωμετρίας, σε συνδυασμό τόσο με την επαναληψιμότητα του αποτελέσματος όσο και με τη μείωση του χρόνου κατεργασίας. Η ανάδειξη των πλεονεκτημάτων των εργαλειομηχανών CNC μπορεί να γίνει συγκρίνοντας τις δυνατότητες τους με αυτές των συμβατικών εργαλειομηχανών. - 25 -
Κατασκευές υψηλής ακρίβειας, της τάξης του 0.01mm ή μικρότερης, απαιτούν στις συμβατικές εργαλειομηχανές εξαιρετικά χρονοβόρες κατεργασίες, αφού ο χειριστής είναι υποχρεωμένος να διακόπτει συχνά την κοπή για να μετρά τις διαστάσεις του κομματιού, έτσι ώστε να εξασφαλίσει την απαιτούμενη ακρίβεια. Οι εργαλειομηχανές CNC εξοικονομούν αυτό το χρόνο, αφού η ακρίβεια εργασίας συνήθως ίση προς τη διακριτική ικανότητα της εργαλειομηχανής είναι δεδομένη από το σύστημα. Περαιτέρω εξοικονόμηση χρόνου επιτυγχάνεται με CNC και κατά την αλλαγή της φάσης κατεργασίας, όπου ο χειριστής συμβατικής μηχανής θα ήταν υποχρεωμένος να σταματήσει, έτσι ώστε να είναι δυνατή η συνέχιση της επόμενης φάσης. Η παραγωγική διαδικασία και το αποτέλεσμά της θα εξαρτάτο ακόμα και από την κόπωση του χειριστή. Στα συστήματα CNC, παρακάμπτονται αυτά τα προβλήματα και επιπλέον, επειδή η επαναληψιμότητα του αποτελέσματος είναι σε υψηλά επίπεδα, ο έλεγχος της ποιότητας περιορίζεται στο πρώτο μόνο κομμάτι. 2.1.3 Ιστορική αναδρομή[13],[14] Η εξέλιξη του αριθμητικού ελέγχου στη μηχανουργική τεχνολογία, στηρίζεται σε βασικές αρχές που αναπτύχθηκαν πολλούς αιώνες πριν. Κάποιες πρώιμες προσπάθειες υλοποίησης συσκευών υπολογισμού εντοπίζονται στην Αρχαία Ελλάδα,τη Βαβυλωνία και την Κίνα. Ένα απ τα πιο χαρακτηριστικά παραδείγματα τέτοιας συσκευής αποτελεί ο μηχανισμός των Αντικυθήρων,μια συσκευή αστρονομικών υπολογισμών που χαρακτηρίζεται παγκοσμίως ως ο «Αρχαιότερος Υπολογιστής».Κατασκευάσθηκε γύρω στο 87π.χ.-πιθανότατα στη Ρόδοκαι διέθετε 32 οδοντωτά γρανάζια. Κατά τη μεταφορά του στη Ρώμη το πλοίο που τον μετέφερε βυθίστηκε κοντά στα Αντικύθηρα και ανακαλύφθηκε γύρω στα 1900μ.χ. Οι διαστάσεις του είναι 16x32x9cm (ίδιες μ αυτές ενός σύγχρονου φορητού υπολογιστή). Αποτελούνταν από ένα κέλυφος με ενδεικτικούς πίνακες στην εξωτερική του όψη και ένα πολυσύνθετο μηχανισμό στο εσωτερικό του. Ο πίνακας έδειχνε την ετήσια κίνηση του ηλίου στο ζωδιακό κύκλο καθώς και τις ανατολές και τις δύσεις των λαμπρών άστρων και αστερισμών κατά τη διάρκεια του έτους. Η συγκεκριμένη τεχνολογία χάθηκε, καθώς δεν διεσώθη κανένα σχετικό γραπτό για τον μηχανισμό και τον τρόπο λειτουργίας του και χρειάσθηκε να περάσουν αιώνες μέχρι να δημιουργηθούν ξανά τόσο πολύπλοκες συσκευές. - 26 -
Κύριο θραύσμα του μηχανισμου των Αντικυθήρων,Εθνικό Αρχαιολογικό Μουσείο Πολύ αργότερα, τον 14ο αιώνα μ.x, η ιδέα του ελέγχου μηχανικών διατάξεων μέσω ακολουθίας πληροφοριών, όπως είναι και ο αριθμητικός έλεγχος, εμφανίζεται στην κίνηση διακοσμητικών μορφών σε ρολόγια μεγάλων εκκλησιών. Το 1642 ο Blaise Pascal (1623-1662), κατασκεύασε τον πρώτο μηχανικό υπολογιστή, χρησιμοποιώντας ένα περίπλοκο σύστημα οδοντωτών τροχών. Pascaline, υπογεγραμμένη απ τον Pascal (1652)[20] Μια µορφή NC χρησιµοποιήθηκε κατά τις πρώτες µέρες της βιοµηχανικής επανάστασης, από το 1725, όταν πλεκτοµηχανές στην Αγγλία χρησιµοποιούσαν διάτρητες κάρτες για να σχηµατίζουν διάφορα σχήµατα σε ύφασµα. Ακόµα νωρίτερα, σε καθεδρικούς ναούς στην Ευρώπη και σε µερικές εκκλησίες στην Αµερική χρησιµοποιούνταν περιστρεφόµενα τύµπανα µε καρφίδες σε προκαθορισµένες θέσεις για να ελέγχουν τις καµπάνες. Το 1863 πήρε δίπλωµα ευρεσιτεχνίας το πρώτο µηχανικό πιάνο. Χρησιµοποιούσε ρολά διάτρητου χαρτιού µέσα από τα οποία περνούσε αέρας, που ήλεγχαν αυτόµατα την σειρά µε την οποία πιέζονταν τα πλήκτρα. - 27 -
Η αρχή της µαζικής παραγωγής (εναλλασσόµενη παραγωγή), που αναπτύχθηκε από τον Eli Whitney, µετέφερε πολλές λειτουργίες και εργασίες που αρχικά εκτελούνταν από ειδικευµένους τεχνίτες, στην εργαλειοµηχανή. Καθώς αναπτύσσονταν καλύτερες και ακριβέστερες εργαλειοµηχανές, το σύστηµα της εναλλασσόµενης παραγωγής υιοθετήθηκε γρήγορα από την βιοµηχανία έτσι ώστε να παράγονται µεγάλες ποσότητες όµοιων εξαρτηµάτων. Στο δεύτερο µισό του 19ου αιώνα, αναπτύχθηκε µια µεγάλη ποικιλία εργαλειοµηχανών για τις βασικές λειτουργίες κοπής µετάλλου, όπως η τόρνευση, η διάτρηση, το πλάνισµα και η λείανση. Καθώς αναπτύσσονταν καλύτερες µονάδες υδραυλικού, πνευµατικού και ηλεκτρονικού ελέγχου, έγινε δυνατός ο καλύτερος έλεγχος της κίνησης των ολισθητήρων των µηχανών. Πάνω από εκατό χρόνια πέρασαν έως το 1940, χρονιά κατά την οποία ο Aiken στις Ηνωμένες Πολιτείες και ο Zuse στη Γερμανία έφτιαξαν την πρώτη ηλεκτρονική υπολογιστική διάταξη με χρήση ρελέ. Τρία χρόνια αργότερα, το 1943, κατασκευάστηκε από τους John Mauchly και Presper Eckert ο πρώτος ηλεκτρονικός υπολογιστής. Πρόκειται για το θρυλικό ENIAC, ένα δημιούργημα μεγάλων διαστάσεων και βάρους τριάντα τόνων, που περιείχε 18 km καλώδια, 500.000 συνδέσεις και απορροφούσε ισχύ 174 kwatt! O προγραμματισμός του ήταν μια πολύπλοκη εργασία, σχεδόν ιεροτελεστία, και απαιτούσε τη συνδυασμένη ρύθμιση 6000 διακοπτών. Χρειάστηκε να περάσουν ακόμα δεκαπέντε χρόνια και να μεσολαβήσει η ανακάλυψη των ημιαγωγών το 1948, για να αναπτυχθούν εμπορικοί επαναπρογραμματιζόμενοι ηλεκτρονικοί υπολογιστές στην αυγή του 1960. Από τότε, η αλματώδης ανάπτυξη στην ηλεκτρονική (ολοκληρωμένα κυκλώματα μικρής και μεγάλης κλίμακας, μικροεπεξεργαστές, συστήματα μαζικής αποθήκευσης και γραφικής απεικόνισης κ.λπ.) οδήγησε στη σημερινή εικόνα των υπολογιστών και επέβαλε τη σύγχρονη τεχνολογική επανάσταση. Eniac(U.S. Army photo from the archives of the ARL Technical Library) - 28 -
Το 1947, η Αµερικανική Πολεµική Αεροπορία συνηδειτοποίησε ότι τα πολύπλοκα σχέδια και σχήµατα των ανταλλακτικών των αεροπλάνων - όπως οι λεπίδες των στροφείων των ελικοπτέρων και εξαρτήµατα πυραύλων-προκαλούσαν προβλήµατα στους κατασκευαστές, οι οποίοι δεν µπορούσαν να ικανοποιήσουν τα συγκεκριµένα χρονοδιαγράµµατα. Την εποχή εκείνη, ο John Parsons της Parsons Corporation στο Traverse City του Michigan, άρχισε να πειραµατίζεται µε την ιδέα της δηµιουργίας από την εργαλειοµηχανή µιας "αξονικής καµπύλης" µε έλεγχο της κίνησης της εργαλειοµηχανής από αριθµητικές πληροφορίες. Το 1949, η ιοίκηση Αεροπορικού Υλικού έκανε ένα συµβόλαιο µε τον Parsons για την ανάπτυξη του NC και στη συνέχεια για την επιτάχυνση των µεθόδων παραγωγής. Ο Parsons έδωσε σαν υπεργολαβία την µελέτη αυτή στο Εργαστήριο Σερβοµηχανισµών του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης (MIT), το οποίο το 1952 έκανε µια επιτυχή επίδειξη του Cicinanati Hydrotel µε κατακόρυφη άτρακτο, που κατασκεύαζε εξαρτήµατα µε ταυτόχρονες κινήσεις κοπής της µηχανής σε τρεις άξονες. Πολύ σύντοµα, σχεδόν όλες οι κατασκευαστές εργαλειοµηχανών κατασκεύαζαν κάποιες µηχανές µε NC. Στην Έκθεση Εργαλειοµηχανών του Σικάγο το 1960, παρουσιάστηκαν πάνω από εκατό µηχανές µε NC. Οι περισσότερες από τις µηχανές αυτές είχαν σχετικά απλό υπολογισµό θέσης από σηµείο σε σηµείο, αλλά η αρχή του NC είχε καθιερωθεί. Η συνεργασία των μηχανουργικών κατεργασιών με NC, CNC και DNC μηχανές με άλλες λειτουργίες που υποστηρίζονται από ηλεκτρονικό υπολογιστή, οδήγησαν στη δημιουργία των ολοκληρωμένων με υπολογιστή συστημάτων παραγωγής (CIM). Έτσι, από τη σύλληψη ενός νέου προϊόντος, αυτό σχεδιάζεται, εξελίσσεται και βελτιστοποιείται μέσω των συστημάτων ανάπτυξης (Computer Aided Engineering - CAE), που περιλαμβάνουν συστήματα σχεδίασης (CAD) και προγράμματα υπολογισμών αντοχής με τη χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων (FEM υπολογιστική μέθοδος στατικής και δυναμικής αντοχής κατασκευών και όχι μόνο). Κατόπιν, ο προγραμματισμός των κατεργασιών γίνεται σε συστήματα CAM, λαμβάνοντας υπόψη τεχνολογικές παραμέτρους των κατεργασιών αυτών. Τα σύγχρονα μηχανουργεία εντάσσουν τις ΝC, CNC και DNC εργαλειομηχανές σε ακόμα πιο σύνθετες δομές, που ονομάζονται ευέλικτα συστήματα παραγωγής (FMS). Τα συστήματα αυτά ενσωματώνουν ηλεκτρονικό σχεδιασμό της παραγωγής, αυτόματες μεταφορικές διατάξεις και αποθήκες, βιομηχανικά ρομπότ και διατάξεις ποιοτικού ελέγχου. Όλα αυτά καθοδηγούνται και εποπτεύονται από έμπειρους μηχανικούς και τεχνικούς, με τη βοήθεια δικτύου ηλεκτρονικών υπολογιστών. Με τον τρόπο αυτό, η σύγχρονη παραγωγή μετατρέπεται από σπαζοκεφαλιά σε ελεγχόμενη και απλοποιημένη διαδικασία. Η χρήση της τεχνολογίας λογισμικού και υπολογιστών, με στοιχεία τεχνητής νοημοσύνης - 29 -
(artificial intelligence), οδηγεί στην πρώιμη έννοια του αυτόματου εργοστασίου, στο οποίο η συμμετοχή του ανθρώπινου παράγοντα στη λήψη αποφάσεων και στην καθοδήγηση μειώνεται ακόμα περισσότερο. 2.2 Βασικές εφαρμογές και κύρια μέρη στις επιτραπέζιες εργαλειομηχανές αριθμητικού ελέγχου[5],[13] Μια επιτραπέζια εργαλειομηχανή αριθμητικού ελέγχου CNC εν συγκρίσει με τα πολύ μεγαλύτερα βιομηχανικά κέντρα κατεργασιών αποτελεί μια πολύ καλή επιλογή για ταχεία κατασκευή πρωτοτύπων, λόγω του μικρού μεγέθους και του χαμηλού κόστους απόκτησής της. Επίσης οι επιτραπέζιες εργαλειομηχανές CNC εξυπηρετούν τις ανάγκες πολλών επαγγελματιών, όπως των κατασκευαστών κοσμημάτων, αναμνηστικών (μετάλλια), ανάγλυφων εικόνων και άλλων που ασχολούνται με τη χάραξη ή την παραγωγή μικρών ή μεσαίων εξαρτημάτων για καθημερινή χρήση, και όχι μόνο. Κύρια μέρη σε επιτραπέζιες εργαλειομηχανές αριθμητικού ελέγχου αποτελούν: I. Οι άξονες της εργαλειομηχανής: Με αυτούς επιτελείται συνδυασμός γραμμικών και περιστροφικών κινήσεων. Κάθε άξονας νοείται τόσο με την κινηματική του έννοια, όσο και σαν σύστημα μετάδοσης κίνησης και ισχύος ή μέτρησης επί αυτού των στοιχείων κίνησης (θέση, ταχύτητα, επιτάχυνση). Οι άξονες, η κίνησή τους και ο έλεγχός τους είναι καθοριστικής σημασίας για την κατάταξη, το χαρακτηρισμό και τις δυνατότητες των επιτραπέζιων CNC εργαλειομηχανών, για αυτό και αναλύονται εκτενέστερα παρακάτω. II. III. IV. Ο κινητήρας κύριας ατράκτου δια του οποίου συντελείται η περιστροφή του εργαλείου κατεργασίας. Το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου, το οποίο περιλαμβάνει συνήθως ένα αριθμό μικροεπεξεργαστών, μνήμης (RAM & ROM) και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για την επεξεργασία και διαχείριση του προγράμματος κοπής καθώς και ηλεκτρονικά ισχύος για τον έλεγχο των αξόνων. H/Y και λειτουργικό λογισμικό για την διαχείριση του προγράμματος κοπής στη μηχανή (με ενσωματωμένο CAM ή μέσω post-processor από εξωτερικό CAM), την εκτύπωση αρχείων και ενδεχομένως την παρακολούθηση της λειτουργίας της εργαλειομηχανής. - 30 -
Κριτήρια για τον χαρακτηρισμό μιας CNC φρέζας ως επιτραπέζιας αποτελούν: I. Καταρχήν το μικρό μέγεθος μιας επιτραπέζιας CNC μηχανής, που την καθιστά ικανή να τοποθετηθεί/εδραστεί σε μια τράπεζα, αυτός εξάλλου είναι και ο λόγος που οι μηχανές αυτές ονομάζονται «επιτραπέζιες» (Desktop). II. Oι επιτραπέζιες εργαλειομηχανές CNC είναι συνήθως εξοπλισμένες με βηματικούς κινητήρες (stepper motors) και δεν έχουν μηχανισμούς αυτόματης αλλαγής εργαλείων. Υπάρχουν βέβαια περιπτώσεις επιτραπέζιων CNC εργαλειομηχανών, οι οποίες κοστίζουν σχετικά ακριβά (Τάξη ορισμένων δεκάδων χιλιάδων ΕΥΡΩ) III. Διάκριση πρέπει να γίνει και μεταξύ επιτραπέζιων εργαλειομηχανών CNC και των λεγόμενων routers. Οι δεύτεροι χρησιμοποιούνται κατά κανόνα κυρίως σε εφαρμογές επιγραφοποιίας και γενικότερα 2D εφαρμογών Πεδία εφαρμογής των επιτραπέζιων εργαλειομηχανών CNC κυρίως είναι: Κοπή 2Δ μορφών, χαρακτική (engraving) Κοπές σε μαλακά υλικά (Κερί, αφρώδη κλπ) Κατασκευή πρωτοτύπων με αφαίρεση υλικού Κατασκευή πρότυπων μορφών (master patterns) για δευτερεύουσες παραγωγικές διαδικασίες και βοηθητικά εργαλεία και μήτρες. Κατασκευή διάτρητων ηλεκτρονικών πλακετών Για εκπαιδευτικούς σκοπούς Με βάση τους άξονες που ενσωματώνουν οι περισσότερες CNC εργαλειομηχανές γενικά χαρακτηρίζονται ως τριών (3), τεσσάρων (4) ή και πέντε (5) αξόνων. Σε επιτραπέζια κλίμακα όμως συναντώνται κυρίως μηχανές τριών (3) αξόνων, σε κάποιες από τις οποίες υπάρχει η δυνατότητα εναλλαγής ενός εκ των ευθυγράμμων αξόνων με περιστροφικό μηχανισμό (διαιρέτης). Σε σπανιότερες περιπτώσεις υπάρχουν και επιτραπέζιες μηχανές τεσσάρων αξόνων με δυνατότητα ταυτόχρονης κίνησης τριών ευθυγράμμων αξόνων και ενός περιστροφικού. Στις επιτραπέζιες εργαλειομηχανές αριθμητικού ελέγχου (CNC), όσον αφορά την μετάδοση κίνησης στους άξονές τους έχουν επικρατήσει κυρίως δύο συστήματα ελέγχου κίνησης και θέσης, τα συστήματα ανοικτού βρόγχου (open-loop control systems) και τα συστήματα - 31 -
κλειστού βρόγχου (closed-loop control systems),στα οποία θα γίνει αναφορά σε μεταγενέστερο κεφάλαιο. 2.2.1 Υλικά κατασκευής[5] Ο πρώτιστος στόχος στην κατασκευή μιας CNC εργαλειομηχανής είναι συνήθως η μείωση των δονήσεων, γι αυτό χρησιμοποιούνται στιβαρά υλικά για τα ακίνητα τμήματα της κατασκευής. Εξίσου σημαντικός παράγοντας είναι τα κινούμενα μέρη να είναι όσο πιο ελαφριά γίνεται, με μικρή αδράνεια( αρκετά στιβαρά όμως ώστε να αντέχουν τα φορτία), ούτως ώστε να επιτυγχάνονται μεγαλύτερες επιταχύνσεις. Οι πιο φθηνές κατασκευές αποτελούνται από ξύλο και συνθετικά υλικά (κόντρα-πλακέ, πλαστικα, MDF ή μελαμίνη). Τα υλικά αυτά έχουν ως βασικό πλεονέκτημα την εύκολη κατεργασία και συναρμολόγηση αλλά μειονεκτούν σε μεγάλο βαθμό στην ακρίβεια λειτουργίας του συστήματος και το προσδόκιμο αντοχής τους στο χρόνο. Αντιθέτως, οι μεταλλικές κατασκευές(συνήθως από αλουμίνιο) παρουσιάζουν σημαντική ακρίβεια στη λειτουργία τους ενώ χαρακτηρίζονται από αυξημένη ευστάθεια, με μειωμένες ταλαντώσεις. Είναι γενικά πιο ακριβές, αλλά εμφανίζουν αντοχή στο χρόνο και στη συνεχή χρήση. Ιδιαίτερη εφαρμογή βρίσκει το κατεργασμένο αλουμίνιο π.χ. προφίλ αλουμινιου- το οποίο μπορεί να βρεθεί σε κάθε μέγεθος διαστάσεων στην αγορά,σε συνδυασμό με διάφορα είδη κατάλληλων συνδέσμων. Ένα απ τα μειονεκτήματα αυτού του είδους των κατασκευών είναι ο τρόπος σύνδεσης των διαφορετικών υλικών μεταξύ τους (π.χ. αλουμίνιο-ατσάλι), εξ αιτίας της διαφορετικής διαστολης και συστολής που παρουσιάζουν. Αν και αυτό το φαινόμενο θεωρείται ελάσσονος σημασίας, εν τούτοις, μπορεί να επηρεάσει τη συνολική ακρίβεια του συστήματος.ως εκ τούτου, κρίνεται ως σημαντική η σωστή σύνδεση των διαφορετικών υλικών μεταξύ τους και επειδή η συγκόλληση σε τέτοιες περιπτώσεις παρουσιάζει δυσκολίες,πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στην κατάλληλη επιλογή συνδέσμων. 2.3 Συστήματα οδήγησης[5] Σ αυτήν την ενότητα γίνεται αναφορά στις διάφορες μεθόδους με τις οποίες επιτελείται η κίνηση για κάθε άξονα στις εργαλειομηχανές. Τα συστήματα για τα οποία γίνεται λόγος - 32 -
θεωρούνται ως γραμμικοί οδηγοί καθώς αφορούν σε γραμμική κίνηση στους άξονες. Κύρια χαρακτηριστικά αυτών των μηχανισμών είναι: Αμφίδρομη κίνηση (μπρος-πίσω), κατά μήκος του άξονα. Ομαλή, ευθεία μετακίνηση, με μειωμένες τριβές. Σταθερός, ορθογώνιος προσανατολισμός, στις 90 σε σχέση με τους άλλους άξονες. Σταθερές συνδέσεις, με μειωμένα περιθώρια σχετικής κίνησης μεταξύ του οδηγού και του κινούμενου μέρους Κάθε σύστημα οδήγησης που παρουσιάζεται παρουσιάζει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά ως προς την ικανότητα φόρτισης. Τα φορτία, συνήθως, διακρίνονται σε στατικά και δυναμικά. Τα στατικά είναι αυτά που εμφανίζονται στη μόνιμη κατάσταση και είναι παρόντα καθ όλη τη διάρκεια λειτουργίας του συστήματος, ενώ τα δυναμικά παρατηρούνται σε μεταβατικές καταστάσεις (όπως επιταχύνσεις,αυξομειώσεις φορτίου κλπ). Τα χαρακτηριστικά αυτά είναι εξαιρετικής σημασίας στην επιλογή κατάλληλου συστήματος οδήγησης κατά τον σχεδιασμό της εργαλειομηχανής. Ακόμα,τ ο περιβάλλον παίζει επίσης σημαντικό ρόλο, τόσο όσον αφορά τον τύπο του γραμμικού οδηγού που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί, όσο και για το υλικό του και την λίπανση που απαιτείται. 2.3.1 Στρογγυλές ράγες(round Rails) Σ αυτό το σύστημα χρησιμοποιείται μια στρογγυλή ράβδος πάνω στην οποία μετακινούνται τα ρουλεμάν καθ όλο το μήκος της. Τα μεγέθη αυτής κυμαίνονται από 3mm έως 10cm σε διάμετρο και σε μήκος μέχρι 6m. Η στήριξή της διακρίνεται σε δύο τύπους: σε στήριξη στα άκρα και σε στήριξη κατά μήκος.στο πρώτο είδος,μόνο τα άκρα της ράβδου υποστηρίζονται, συνήθως πακτωμένα στο πλαίσιο της κατασκευής. Αυτή η εφαρμογή χαρακτηρίζεται ως πιο οικονομική και χρησιμοποιείται σε μικρότερες κατασκευές, όπου οι αποστάσεις που διανύει το φορτίο είναι κοντινές. Αντιθέτως, η στήριξη καθ όλο το μήκος συνήθως εντοπίζεται σε κατασκευές, με μεγάλο μήκος αξόνων και σημαντικά φορτία, αλλά γενικότερα θεωρείται πιο αξιόπιστη. - 33 -
Σχήμα(2.1): Διάφορα είδη και εξαρτήματα στρογγυλών ραβδών(danaher Motion) [5] 2.3.2 Τετράγωνες ράγες(προφίλ-profile Rails) Στο Σχήμα(2.2) παρουσιάζεται ένας τέτοιος τύπος γραμμικής οδήγησης. Η σιδηροτροχία διαθέτει ειδικούς διαδρόμους στους οποίους κινούνται τα επανακυκλοφορούντα σφαιρίδια των ρουλεμάν. Αυτό το σύστημα είναι αρκετά διαδεδομένο, ειδικά σε εφαρμογές όπου συναντώνται μεγάλα φορτία ενώ ταυτόχρονα απαιτείται διατήρηση της υψηλής ακρίβειας. Στα μειονεκτήματα συγκαταλέγονται το αυξημένο κόστος και η δυσκολία στην εγκατάσταση. Σχήμα(2.2): Παράδειγμα ράγας τύπου προφίλ[5] 2.3.3 V-Style Roller Το συγκεκριμένο είδος γραμμικού οδηγού αποτελεί επίσης δημοφιλή επιλογή στην κατασκευή μιας εργαλειομηχανής CNC. Η σχεδιαστική φιλοσοφία του είναι απλή, όπως και - 34 -
η εγκατάστασή του, ενώ απαιτεί ελάχιστη συντήρηση με ταυτόχρονα μεγάλη αντοχή στο χρόνο και στη συνεχή χρήση. Ο οδηγός περιλαμβάνει ατσάλινους τροχούς, χαραγμένους ακτινικά καθ ολη την διαμετρό τους σχηματίζοντας υποδοχή σε σχήμα V. Οι τροχοί κινούνται σε επαφή με μια ενισχυμένη ατσάλινη σιδηροτροχιά, η οποία εφαρμόζει επακριβώς στις υποδοχές, έχοντας σχήμα Λ. Στους τροχούς είναι τοποθετημένες δύο σειρές απο επανακυκλοφορούντα σφαιρίδια, προσδίδοντας μεγαλύτερη αξονική ικανότητα μεταφοράς φορτίου, δεδομένου του μεγέθους των. Στο Σχήμα (2.3) απεικονίζεται ένας τέτοιος οδηγός. Σχήμα (2.3):V-style roller [5] 2.4 Συστήματα μετάδοσης κίνησης[4],[5] Στην ενότητα αυτή, παρουσιάζονται διάφορα συστήματα μετάδοσης της κίνησης απ τον κινητήρα στο φορτίο. Κύριος στόχος είναι η μετατροπή της περιστροφικής κίνησης του δρομέα σε γραμμική. Για την επίτευξη της διαδικασίας αυτής, μπορούν να χρησιμοποιηθούν υδραυλικά ή πνευματικά συστήματα, ιμάντες ή αλυσίδες και τροχαλίες ή κοχλίες. Ωστόσο, επειδή στο σχεδιασμό των εργαλειομηχανών CNC, κύρια ζητούμενα είναι η υψηλή ανάλυση και ακρίβεια καθώς και η αμφίδρομή κίνηση στους άξονες, έχουν καθιερωθεί συγκεκριμένα συστήματα, στα οποία γίνεται αναφορά στη συνέχεια. 2.4.1 Κοχλίες και περικόχλια Υπάρχουν δύο κυρίαρχα είδη συστήματος μετάδοσης κίνησης που περιλαμβάνουν κοχλία(ντίζα) και περικόχλια: ο απλός κοχλίας (leadscrew) και ο κοχλίας με επανακυκλοφορούντα σφαιρίδια (ballscrew). Ανεξαρτήτως του είδους κοχλία, υπάρχουν ορισμένοι τρόποι εγκατάστασης του συστήματος: Αμφότερα άκρα πακτωμένα Ένα άκρο πακτωμένο και το έτερο υπό στήριξη Αμφότερα άκρα υποστηριγμένα - 35 -
Ένα άκρο πακτωμένο και το έτερο χωρίς στήριξη Το μέγεθος του φορτίου που μπορεί να μετακινήσει το περικόχλιο( nut) καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό απ τον τρόπο στήριξης του κοχλία. Κατά την λειτουργία των εργαλειομηχανών CNC παρατηρούνται δυνάμεις καταπόνησης που εφαρμόζονται στον κοχλία κίνησης (δυνάμεις εφελκυσμού-θλίψης). Εδικότερα κατά την εφαρμογή δυνάμεων συμπίεσης, ο κοχλίας έχει την τάση να λυγίζει. Στις υψηλές ταχύτητες δε, παρατηρείται σημαντική απόκλιση της ντίζας απ τον νοητό ευθύ άξονα στον οποίο προορίζεται να κινείται (φαινόμενο whip). Υπό αυτές τις συνθήκες κρίνεται ως ιδιαιτέρως σημαντική η στήριξη του κοχλία, η διάμετρος και το υλικό του καθώς και ο καθορισμός μιας μέγιστης ταχύτητας περιστοροφής,για την οποία αποφεύγεται το παραπάνω φαινόμενο(critical speed) Όσον αφορά τους κοχλίες αυτούς καθ αυτούς, ένα σημαντικό χαρακτηριστικό τους, εκτός απ τη διάμετρο που σχετίζεται με την ικανότητα φόρτισης,είναι και το σπείρωμα τους. Με τον όρο lead, αναφερόμαστε στη γραμμική μετατόπιση που θα επιτύχει το περικόχλιο σε μια πλήρη περιστροφή του δρομέα του κινητήρα. Η κατάλληλη επιλογή σπειρώματος παίζει καθοριστικό ρόλο τόσο στην ταχύτητα όσο και στην ακρίβεια του συστήματος, ενώ συνδέεται άμεσα με το σχεδιασμό του κυκλώματος οδήγησης και ελέγχου των κινητήρων. Επι παραδείγματι, ας εξετάσουμε την περίπτωση εφαρμογής βηματικών κινητήρων, οι οποίοι συνδέονται στους κοχλίες κίνησης και απαιτούν έστω 200 βήματα για μια πλήρη περιστροφή δρομέα. Αν ο κοχλίας έχει βήμα σπειρώματος 2mm τότε απαιτούνται 200 βήματα του κινητήρα για γραμμική μετατόπιση 2mm ή 10.000 βήματα για μετατόπιση 10cm. Πρόκειται για ένα σημαντικό χαρακτηριστικό που πρέπει να ληφθεί υπόψη στο σχεδιασμό ενός τέτοιου συστήματος και αποτελεί συνάρτηση της ταχύτητας και της ανάλυσης, ενώ ταυτόχρονα σχετίζεται με άλλες παραμέτρους της οδήγησης των κινητήρων (ακολουθίες δίεγερσης, βηματισμός, ημί-βηματισμός, μικρο-βηματισμός κ.λ.π), οι οποίες θα αναλυθούν σε επόμενο κεφάλαιο. Σχήμα (2.4):Κοχλίας και περικόχλιο[τηκ] [19] Στις περισσότερες περιπτώσεις όπου χρησιμοποιούνται κοχλίες σε συνδυασμό με κινητήρες, η σύνδεση μεταξύ τους επιτυγχάνεται με τη χρήση κόμπλερ (coupler), μιας - 36 -