Dieses Teilprojekt des Projektes 3-D-Bearbeitungsmaschine (Projekt des Schwerpunkts GPE im Studiengang MTR) im siebten Semester des Studiengangs Mechatronik beinhaltet die Konzeptionierung, Konstruktion, Fertigung und erste Inbetriebnahme eines Rundtisches (4.Achse) im Rahmen des Praktikums der Produktionstechnik (GPE).

Die Abbildung 1 rechts zeigt ein Exemplar einer horizontalen 4.Achse. Zu erkennen sind das Dreibackenfutter, verschiedene Spannbacken, ein Spannschlüssel und ein elektronisch angesteuerter Schrittmotor mit einem kleinen Kabelstrang. Dahinter ist die Kraftübertragung zwischen Antriebs- und Abtriebsachse mittels Zahnriemen sichtbar.

Autoren: Hendrik Buchheister, Kai Jacobs
Betreuer: Prof. Göbel

Definition Rundtisch und Problemstellung

Abbildung 2: XYZ-Koordinaten einer CNC-Maschine

Eine einfache Fräsmaschine verfährt, wie in den Abbildung 2 rechts dargestellt, auf den XYZ-Achsen zur translatorischen Werkstückmanipulation.

Die X-Achse verläuft in der Regel waagerecht. Die positive X-Achse verläuft (wenn man davor steht) nach rechts und die negative X-Achse nach links.
Die positive Y-Achse verläuft bei Maschinen mit senkrechter Arbeitsspindel, wenn man direkt vor der Maschine steht, vom Betrachter weg. Die negative Y-Achse verläuft zum Betrachter hin.
Die X- und Y-Achse bei Senkrechtfräsmaschinen meistens parallel zur Aufspannfläche des Werkstücks.
Die Z-Achse ist die Achse des Arbeitsspindels. Der positive Bereich der Z-Achse liegt zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück. Der negative Bereich liegt unterhalb des Werkstücknullpunkts in die entgegengesetzte Richtung.

Eine Drehbewegung des Werkstücks um die eigene Achse ist im gegebenen System nicht realisierbar.

Die 4.Achse, je nach Ausführung auch Rund- oder Drehtisch genannt, ermöglicht eben diese rotatorische Werkstückbewegung.
Der Drehtisch hat eine senkrechte oder häufig auch waagrechte Drehachse, um das aufgespannten Werkstück gedreht werden kann,
um Bearbeitungen in verschiedenen Positionen oder am drehenden Werkstück vorzunehmen.

Passende Beispielvideos zur 4-Achs-Bearbeitung findet man auf YouTube unter folgenden Links:

Aufgabenstellung und Definition der Anforderungen

Folgende Rahmenbedingungen wurden an das Projekt gestellt:

Technische Anforderungen:

Realisierung rotatorischer Werkstückbewegung
Konventioneller, simpler Aufbau
Schnelle Montage und Demontage des Systems
Gegenlager für lange Werkstücke
Verwendung der Alu-Strukturprofile
Spanndurchmesser am Futter bis ca. 100 mm
Durchschub von Wellen bis max. 12 mm

Kommerzielle Anforderungen:

Budget bis max 500€
Bestellung/ Beschaffung rechtzeitig auslösen
Make-or-buy-Entscheidung
Lieferung bis Januar 2017

Konzeptionierung

Gemäß den technischen und kommerziellen Anforderungen sind durch einen Morphologischen Kasten (rechts abgebildet) die zwei Lösungskonzepte L1 und L2 entstanden.

Lösungskonzept L1:

Horizontal liegende 4.Achse mit Dreibackenfutter auf Strukturprofil-Schiene montiert.
Antrieb über Schrittmotor PLUS Planetengetriebe und Kraftübertragung mittels Zahnriemen.
Die Abtriebsachse ist mit Schrägkugellagern gelagert. Es erfolgt keine Winkelmessung.

Lösungskonzept L2:

Horizontal liegende 4.Achse mit Dreibackenfutter auf Strukturprofil-Schiene montiert.
Antrieb über Schrittmotor OHNE Extra-Getriebe und Kraftübertragung mittels Zahnriemen.
Die Abtriebsachse ist mit Schrägkugellagern gelagert. Es erfolgt keine Winkelmessung.

Erläuterungen zu den Konzepten:

Eine Strukturprofilschiene wird in beiden Konzepten verwendet. Diese kann im vorhandenen System positions- und lagegerecht montiert werden. Durch den Aufbau der Drehachse und des Gegenlagers auf diese Schiene wird auch eine funktional einwandfreie Flucht der Achsen gewährleistet. Somit lässt sich das eingespannte Werkstück mit lediglich minimalsten Rundlauf-Abweichungen rotatorisch manipulieren.
Die Drehachse wird liegend ausgerichtet, da diese Ausrichtung für die vorhandenen Anwendungsszenarien die besseren Möglichkeiten zur Bearbeitung bietet.
Eine Implementierung der Winkelmessung überschreitet das vorhandene Budget und wird somit nicht weiter berücksichtigt.
Die Werkstückaufnahme erfolgt mittels Dreibackenfutter. Durch den Spannvorgang in einem Dreibackenfutter ist das Werkstück auf der Drehachse ausgerichtet und kann sauber im Gegenlager befestigt werden.
Durch die Lagerung mittels Schrägkugellager können zu den rotatorischen Kräften auch axiale Kräfte aufgenommen werden. Durch eine doppelte Lagerung ist ebenfalls der einwandfreie Rundlauf gewährleistet.
Konzept L1 verfügt über einen Schrittmotor MIT, Konzept L2 OHNE Planetengetriebe.

Konzeptentscheid: Beide Konzepte sind in bis auf die unterschiedlichen Schrittmotoren. Planetengetriebene Schrittmotoren haben den Vorteil ein höheres Haltemoment aufbringen zu können. Jedoch besteht das Risiko von Freilauf im Getriebe. Dadurch überträgt sich vorhandenen Spiel über den Zahnriemen direkt auf die Drehachse. Schrittmotoren ohne vorgeschaltetes Getriebe haben hingegen ein geringeres Haltemoment. Das mögliche Spiel im System ist bei diesem Konzept wesentlich geringer, da kein Getriebespiel vorgeschaltet ist. Es ist also eine Abwägung zwischen hohem Haltemoment und geringen Spiel notwendig gewesen. Letztendlich wurde einheitlich entschieden, dass für die vorhandenen Anwendungsszenarien ein geringeres Spiel wichtiger als ein höheres Haltemoment ist. Demnach fiel die Entscheidung auf Konzept L2.

Konstruktion

modelle
technische zeichnungen
technische Erläuterungen
warum wurde so gefertigt und nicht anders

Mechatronik

Aufbau
welche Bauteile
schaltplan
wie wird der motor angesteuert

Beschaffung

Die Beschaffung ist aufgeteilt in Normteile, Zukaufteile und Halbzeuge. Normteile sind Bauteile in in allen Einzelheiten und Eigenschaften durch eine Norm beschrieben sind. Ein bekanntes Beispiel für Normteile sind Innensechskantschrauben nach DIN912. Zukaufteile sind Einzelteile oder Fertigteile die zugekauft werden. Zukaufteile sind beispielsweise Schrittmotren die nicht nach Standard/ Norm gefertigt sind, bzw. keiner passenden Norm entsprechen. Halbzeuge sind vorgefertigte Rohteile die weiterbearbeitet werden müssen (durch Drehen, Fräsen, Sägen, Bohren etc), um ein Bauteil zu erzeugen. So wird beispielsweise aus einem Rundstahl als Halbzeug eine Welle für den Drehtisch gefertigt.

Normteile:

Zukaufteile:

Halbzeuge:

Fertigung

fertigung in der Heimwerkstatt
drehen, fräsen, bohren etc
prozess/ Ablauf beschreiben
was war kritisch
was galt es zu beachten

Inbetriebnahme

verkabelung
erster Aufbau der Achse
erste ansteuerungstest

Berechnungen

Übersetzungsverhältnis
z1=15(Zähnezahl des treibenden Rades)
z2=72 (Zähnezahl des angetriebenen Rades)
i=? (Übersetzungsverhältnis

z1=z2 / i
i=z2 / z1
i=72/15=4,8

Minimaler Schrittwinkel Welle
Schrittwinkel Motor=1,8° +- 5%
Übersetzungsverhältnis=4,8

Schrittwinkel Welle= Schrittwinkel Motor / Übersetzungsverhältnis
Schrittwinkel Welle (Nenn)=1,8°/4,8=0,375°
Auflösung der Welle=360°/0,375°=960

Maximales Haltemoment Welle
Haltemoment Motor=2Nm
Übersetzungsverhältnis=4,8

Haltemoment Welle=Haltemoment Motor * Übersetzungsverhältnis
Haltemoment Welle=2Nm*4,8=9,6NM

Im Abstand von 1m zur Drehachse kann eine Kraft von 9,6 Nm gehalten werden.
Im Abstand von 0,1m können Demnach 96 Nm gehalten werden.
Dies entspricht einem Gewicht von 9,6kg im Abstand von 10cm.

Technische Daten Baugruppe

Übersetzungsverhältnis: 4,8
Auflösung Motor: 200 Schritte
Auflösung Welle: 960 Schritte
Max. Haltemoment: 9,6Nm
Nennstrom: 4,2A
Nennspannung: 24-48V
Gewicht: 6kg (inkl. Alu-Schiene und Gegenlager)

Schlussbetrachtung

was wurde erreicht
was lief gut, was schlecht
ausblick

Quellen

http://ceng.anadolu.edu.tr/cv/LaneDetection/LaneDetection.htm
http://de.mathworks.com/help/vision/examples/lane-departure-warning-system.html
http://hompi.sogang.ac.kr/fxlab/paper/45.pdf
http://www.cse.iitd.ernet.in/~pkalra/csl783/canny.pdf
http://www.massey.ac.nz/~mjjohnso/notes/59731/presentations/img_proc.PDF
http://cvpr.uni-muenster.de/teaching/ws12/ComputerVisionMustererkennungWS12/script/CVME-07-Segmentation-Hough.pdf
http://web.ipac.caltech.edu/staff/fmasci/home/astro_refs/HoughTrans_lines_09.pdf

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Konstruktion, Fertigung und Inbetriebnahme eines Rundtisches (4.Achse)

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