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1 Progettazione funzionale di sistemi meccanici e meccatronici. Progetto d anno: Laser 2dof A.A. 2010/2011 Progettazione Funzionale di Sistemi Meccanici e Meccatronici Taglio laser a due gradi di libertà Dipartimento di Progettazione e Tecnologie Mechatronics and Mechanical Dynamics Labs prof. Paolo Righettini Linee guida per lo sviluppo del progetto 12 Maggio 2011 PFSMKT-PA-LASER2DOF-0001 R01

2 Taglio Laser a 2 dof INDICE Indice 1 Introduzione 1 2 Dati 1 3 Obiettivi 3 Indirizzo Università di Bergamo Facoltà di Ingegneria Laboratorio di Meccatronica e Mechanical Dynamics Via Stezzano, 87 Bergamo Autori prof. Paolo Righettini tel: fax:

3 Section 1 Introduzione 1 1 Introduzione Il progetto si inserisce nella progettazione dinamica di sistemi di taglio laser piani. Questo tipo di macchine, come presentato in figura 1, ha due assi principali per il posizionamento della testa laser nel piano di lavoro. Gli assi principali sono generalmente indicati con X e Y. È presente anche un terzo asse verticale, indicato con Z, per adeguare l altezza della testa laser al piano di lavoro e allo spessore del pezzo. Il progetto proposto prevede la progettazione dinamica degli assi X e Y, prendendo in considerazione sia le cedevolezze meccaniche di tutti gli elementi della trasmissione, sia la banda passante dei controllori dei singoli assi. Figura 1: Macchina per il taglio laser 2D La struttura cinematica della macchina per il taglio laser da prendere in considerazione è quella mostrata in figura 2. È costituita da un basamento posto lungo la direzione longitudinale, sul quale viene posto l asse per la movimentazione della testa laser lungo la direzione Y. Trasversalmente all asse di avanzamento Y, è posto il supporto della guida per la movimentazione della testa laser lungo la direzione X. Questo supporto è posto a sbalzo rispetto al basamento della macchina per garantire un semplice caricamento della macchina e per una più efficace manutenzione dell impianto. Infatti l intero gruppo di supporto e cambio automatico della lamiera può essere completamente rimosso dalla zona di lavoro. 2 Dati La movimento lineare degli assi X e Y deve essere ottenuto per mezzo di una trasmissione che converte il moto rotatorio del motore in moto rettilineo. La tipologia

4 2 Taglio Laser a 2 dof Figura 2: Schema della macchina laser di riferimento della trasmissione da utilizzare dovrà essere scelta in base alle prestazioni dinamiche ottenibili. Nel progetto dovranno essere confrontate soluzioni basate su viti a ricircolo di sfere rotanti e soluzioni a chiocciola rotante, valutando le loro prestazioni sia in termini di contribuito inerziale sia in termini di rigidezza. Le prestazioni della trasmissione, sia in termini inerziali che di rigidezza, dovranno essere indagate prendendo in considerazione i sistemi di accoppiamento del motore con la trasmissione (giunti), la rigidezza dei cuscinetti di supporto e la rigidezza dei supporti dei cuscinetti. La progettazione dinamica della macchina laser partirà delle prestazioni di moto richieste, dalle quali sarà possibile la scelta dei motori e del rapporto di trasmissione. La trasmissione dovrà essere valutata anche in base alle frequenze proprie del sistema costituito dalla massa movimentata e dalla trasmissione/giunti/vincoli cedevoli. Queste frequenze proprie, al fine della valutazione delle prestazioni complessive, dovranno essere valutate in funzione delle frequenze predominanti nel moto richiesto alla testa laser ed in base all errore di circolarità. Complessivamente l errore di circolarità dovrà essere valutato in funzione di: 1) caratteristiche statiche della trasmissione (precisione costruttiva della vite a ricircolo di sfere), 2) comportamento dinamico trasmissione e massima movimentata. L errore di circolarità dovrà essere valutato nelle seguenti condizioni:

5 Section 3 Obiettivi 3 Raggio [mm] V t [m/1 ] max.err. [mm] Al termine del progetto dinamico della trasmissione e della motorizzazione devono essere progettate le guida lineari degli assi X e Y in funzione del carico dinamico e delle precisioni richieste. La tabella 1 riporta i dati principali del progetto. Al termine del progetto dinamico delle trasmissioni deve essere sviluppato il modello dinamico dell asse Y comprendente: parte meccanica e relative cedevolezze motore e sistema di controllo dell asse (si faccia riferimento alla struttura (P, PI, PI) sensore di posizione montato sul motore Deve essere valutata la banda passante complessiva di questo asse rispetto alla banda passante della sola parte meccanica. Valutare come può essere modificata la banda passante complessiva cambiando le costanti del controllore. Punto facoltativo Al termine dei punti precedentemente indicati è richiesta la progettazione strutturale del supporto della guida dell asse X in modo che i suoi modi principali di vibrare non introducano errori maggiori di quelli valutati con il criterio di progettazione a corpi rigidi. Per la definizione delle forzanti si faccia riferimento alle indicazioni fornite per l errore di circolarità. Questo punto deve essere sviluppato con un programma ad elementi finiti per la valutazione dei modi principali di vibrare della struttura. 3 Obiettivi I temi da sviluppare nel progetto sono: impostare il progetto in base alle prestazioni dinamiche e cinematiche richieste ed in base all errore di circolarità richiesto scelta della motorizzazione corsa asse Y 4000 [mm] corsa asse X 2000 [mm] massima velocità degli assi 120 [mm/1 ] precisione di posizionamento richiesta 0.01 [mm] massa della testa laser 100 [kg] massa del supporto guida X 800 [kg] Tabella 1: Principali dati di progetto

6 4 Taglio Laser a 2 dof scelta della trasmissione. La determinazione della tipologia di trasmissione (vite rotante o chiocciola rotante) in funzione del contributo inerziale e di rigidezza. Questi due aspetti si riflettono sulla scelta della taglia della motorizzazione e sull errore dinamico di circolarità valutazione della rigidezza della trasmissione prendendo in considerazione la vite, la rigidezza dei giunti, la rigidezza dei cuscinetti di supporto e la rigidezza dei supporti dei cuscinetti scelta del sistema lineare di guida e posizionamento dei pattini valutazione dell errore di posizionamento della testa e di circolarità in funzione della tolleranza costruttiva della vite sviluppo del modello dinamico dell asse Y prendendo in considerazione gli anelli di controllo del motore ed il comportamento dinamico (cedevolezze) della parte meccanica. Valutare la banda passante del sistema in questa condizione e confrontarla con quella del sistema meccanico. Valutare come varia la banda passante in funzione dei parametri del controllore. facoltativo: progetto strutturale del supporto dell asse X in modo che la sua deformata dovuta al movimento lungo la direzione Y sia trascurabile rispetto all errore di circolarità dovuto alla cedevolezza delle trasmissioni

7 Progetti d anno Progetti d anno del corso di Progettazione Funzionale di Sistemi Meccanici e Meccatronici - prof. Paolo Righettini

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