i

i Forord Jeg elsker å bygge ting. Hver sommer så bygger jeg et eller annet, hvis ikke så kjeder jeg meg. Når det

ble en åpning for en praktisk bacheloroppgave der jeg faktisk kunne få være del av hele prosessen fra

ide til produkt ble jeg meget interessert. Jeg har storkost meg med arbeidet med selve oppgaven,

slitt meg halvt i hjel for å prøve å få tak i delen til maskinen, og jeg ville gjort alt sammen om igjen

hvis jeg hadde fått valget.

Med meg på denne ferden så har jeg hatt gode hjelpere. Først og fremst så vil jeg takke Sjefsingeniør

Ingunn Cecilie Oddsen som gitt uvurderlig hjelp i forhold til innkjøp av deler og administrasjon av

oppgaven. Hennes glødene engasjement har vært inspirerende de dagene jeg brukte på å løpe fra

kontor til kontor på universitetet for å finne ut hvem som egentlig bestemte hva osv. Tusen takk skal

du ha.

Min veileder Dr. Hirpa Lemu som jeg burde ha plagd mye mer med mine spørsmål gjennom arbeidet

med oppgaven. Han har gitt gode svar når jeg har komt med spørsmål og tatt seg tid til å se ting fra

mitt ståsted for å forstå problemstillinger i oppgaven osv. Det at han sa ja til å veilede en så sprø

oppgave som dette er jeg også meget takknemlig for. Mange ville bare ristet på hodet eller blitt

redde for at det skulle bli mye arbeid for dem å ha en student med denne typen oppgave. Jeg takken

for denne sjansen og tillitten jeg har blitt tildelt ved å få skrive denne oppgaven, og håper jeg har

gjort meg tillitten verdig.

Det hadde fort blitt stopp helt i starten av ideen til dette prosjektet hvis ikke Sjefsingeniør John

Grønli hadde lovet penger til prosjektet høsten 2013. Takk for tilliten, jeg setter stor pris på det.

Hele dette sprø eventyret startet med Dr. Jan Kåre Bording som jobbet som Sjefsingeniør ved

Universitetet i Stavanger i fjor. Det var i samtaler med han at ideen om at universitetet trengte en

CNC-plasmakutter kom frem, og ikke minst at det kanskje skulle la seg gjøre å lage en bachelor

oppgave ut av det. Dr. Bording er en inspirerende person som skaper aktivitet rundt seg. Hadde det

ikke vært for at han valgte å ta skritte videre fra ide og våge å foreslå at det kunne gjøres

bacheloroppgave av CNC-maskinen så hadde det ikke blitt noe. Han har også vært til stor hjelp med å

delta på veiledermøte med Dr. Lemu for å overbevise han om at det var verdt å satse på denne

oppgaven. Tusen takk for all støtte, hjelp og motivasjon.

Jeg vil takke kjæresten min som har forstått at jeg er en relativt opptatt person når jeg holder på med

en slik oppgave

ii

ii Innhold i Forord........................................................................................................................................ i

ii Innhold ......................................................................................................................................ii

1 Introduksjon ............................................................................................................................. 1

1.1 Bakgrunn 5

1.2 Begrensninger og rammer 5

1.2.1 Oppgavebeskrivelse 5

1.2.2 Økonomi 6

1.2.3 Mekanisk 6

1.2.4 Elektrisk 7

1.3 Begrunnelser 7

1.4 Rapport struktur 8

1.5 Ordforklaring 9

2 Elektrisk .................................................................................................................................. 10

2.1 Programvare 10

2.1.1 Styring av maskinen 10

2.1.2 G-kode generator 11

2.2 Elektriske og elektroniske komponenter 12

2.2.1 Styringskort og motordrivere 12

2.2.2 Strømforsyning 13

2.2.3 Motorer 14

2.2.4 THC 18

2.2.5 Endestopp brytere 19

2.3 Kabler, ledninger, og utfordringer rundt dem 20

2.3.1 Kablene 21

2.3.2 Kabelkjede 22

2.3.3 EM støy 24

3 Design, oppbygning, og løsninger .......................................................................................... 27

3.1 Generelt 27

3.1.1 Modulær oppbygning 27

3.1.2 Senarioer for utregning og maskinposisjoner 29

3.1.3 Galvanisk korrosjon 31

3.2 Rammen 32

3.2.1 Overordnet design av rammen 32

iii

3.2.2 Valg av materiale til ramme 34

3.2.3 Valg av profil dimensjon til rammen 35

3.2.4 y-vogn, z-aksen, og verktøyfestet 36

3.2.5 y-aksen 44

3.2.6 x-aksen 49

3.2.7 Endefeste x-akse til skjærebord 53

3.2.8 Midtfeste x-akse til skjærebord 58

3.2.9 Feste x-akse til y-akse 60

3.4 Lineære føringer og bevegelse 61

3.4.1 Lineære føringer 61

3.4.2 Lineær bevegelse 64

4 Diskusjon av resultater .......................................................................................................... 66

4.1 Defleksjon 66

4.1.1 x-retning 67

4.1.2 y-retning 68

4.1.3 z-retning 69

4.1.4 Felles ikke medregnede faktorer 69

4.2 Maskinens spesifikasjoner 70

4.2.1 Arbeidsområde 70

4.2.2 Bevegelse 71

4.2.3 Styringssystemet¨ 72

4.2.4 Oppsummering av maskinen 73

5 Konklusjon .............................................................................................................................. 74

7 Kilder ...................................................................................................................................... 76

Vedlegg 1

1 Matlab funksjoner og skript 1

2 Solid Edge filer 1

3 Brukermanual THC-enhet Proma 1

4 Brukermanual G540 GeckoDrive 1

1

1 Introduksjon Naturen er «lat». Vann renner nedover og de fleste levende ting forsøker å gjøre ting så enkelt som

mulig for seg selv. Mennesker er også sånn. Opp i gjennom tidene så har vi sett dette gjennom

utviklingen av verktøy for å gjøre hverdagen lettere (Wikipedia contributors, 2014). Etterhvert som vi

slo oss ned og begynte med jordbruk brukte man dyr til å dra ploger og temte elvene til å male

kornet eller sage tømmer (Wikipedia contributors, 2014). Vi fant en måte å gjøre varme om til

bevegelse gjennom dampmaskinen, og temte eksplosjoner i forbrenningsmotorer (Wikipedia-

brukere, 2013). Elektrisiteten kom på banen og med den kom elektromotoren som brakte motorer

inn i alle sine hjem. Elektromotoren revolusjonerte også industrien siden hver maskin nå kunne få sin

enkelte motor og ikke var avhengig av avanserte driv og transmisjonssystemer (Wikipedia

contributors, 2014).

Figur 1 Utvikling av verktøy, styring og maskiner gjennom historien Kilder fra venstre: (Álvarez, 2007), (Anon., u.d.), (Junge, u.d.), (Tenderlok, 2012), og (Waard, 2011)

Underveis med utviklingen av motorer gikk arbeidet med å få maskinene til å kunne automatisere

arbeidet. Enkle aritmetikk ble for eksempel forsøkt automatisert allerede i 1623 og ble først en

kommersiell suksess i 1851 (Wikipedia contributors, 2014). De første «closed-loop»

styringssystemene, altså der en måling av det maskinen produserer eller gjør blir brukt til å styre den,

kom på midten av det 18. århundre for å regulere vinkelen på bladene til vindmøller som igjen

regulerte rotasjonshastigheten. Senere kom det også slike systemer til andre maskiner, for eksempel

dampmaskinen. Sentrifugalregulatoren er et eksempel på det, se det midterste bildet i Figur 1. I 1785

ble den første industrielle prosessen helautomatisert da Oliver Evans automatiserte mel mølle. Etter

dette ble mer og mer enkle prosesser automatisert. Felles for dem alle var at de var repetitive eller

konstante prosesser. Hvis man bare skulle produsere et mindre antall av et produkt så blir derimot

justeringen av maskinen veldig avansert, eller så må man bygge en helt ny maskin. På midten av det

20. århundre kom NC «numerical controlled» maskinene (Wikipedia contributors , 2014). Disse

brukte hullkort eller hullbånd som man kunne bytte ut for å for eksempel få forskjellige mønstre på

en genser i en strikkemaskin (Wikipedia contributors, 2013). Med utviklingen av datamaskinen så tok

det ikke lang tid før man brukte dem til å kontrollere maskinene, og her kommer vi til den type

maskin som denne rapporten handler om, CNC «computer numerical control»

2

Med CNC styring så er maskinen styrt elektronisk. En datamaskin bestemmer for eksempel bevegelsen til skjæreverktøyet på en dreiebenk, rotasjonshastigheten til en fres, varmen til hotenden på en 3D-printer, osv. Datamaskinen styrer produksjonsmaskinen ved hjelp av innebygde rutiner for hva maskinen skal gjøre og via kommandoer gitt til den via g-kode, se avsnitt neste side. CNC er ikke en type maskin, det er selve styringen, og den kan brukes på de fleste typer produksjonsmaskineri. CNC er heller ikke navnet på en bestemt produsent sin styring men en samlebetegnelse på en måte å styre maskiner på. Eksempler på maskiner som bruker CNC styring er freser, dreiemaskiner, 3D-printere; plasma-, laser-, og vann-kuttere, og maskiner som produserer data prosessorer. De enkleste CNC maskinene er for eksempel en fres der x, y, og z aksen er CNC kontrollert, se Figur 2. Verktøyet på denne maskinen må byttes manuelt og selve fresen må også skrus på manuelt og turtallet stilles inn. De mest kompliserte maskinene er såkalte maskineringssentre som kan frese, dreie, borre, og lage gjenger (Tooling University, 2014). Maskineringssentrene har også det som kan ses på som en verktøykasse med forskjellige verktøy den kan bruke og bytte mellom selv, uten menneskelig hjelp. Dermed er ikke maskinen begrenset til bruken av for eksempel bare en fres, men kan bytte mellom ulike freser, bor, dreiestål og gjengetapper alt etter hva den skal produsere. CNC-maskinen som skal designes i denne rapporten er relativt enkel og styrer bevegelsen i 3 akser(se forklaring andre avsnitt på neste side), skrur verktøyet av og på, har endestopp(se kapittel 2.2.5 Endestopp brytere) i alle ender, og en høydekontroller(se kapittel 2.2.4 )

Figur 2 Forskjellige CNC maskiner. Sett fra venstre: CNC-fres (CNC Masters, u.d.), CNC-dreiemaskin (Sunzhou Sunda Machine Tools CO., LTD., u.d.), og 3D-printer (Makerbot, u.d.)

I dag er det pga. CNC maskiner blitt mulig å gjøre avstanden fra idee til ferdig produkt kortere enn

den var før. Arbeidsgangen i fra ide til produkt kan i dag være som illustrert i Figur 3. Ved bruk av

CAD «computer assisted drawing» så tegnes komponent på pc-en. CAD er 2D eller 3D tegneprogram

på pc-en som for eksempel SolidEdge™, Autodesk Inventor™, eller SketchUp™. I noen CAD

programmer så kan man simulere belastninger på komponenten sånn at den oppfyller kravene som

er satt til en. Etter at den er tegnet ferdig så bruker man et nytt program for å produsere G-koden

sånn at maskinen kan produsere komponenten. Så sendes koden til maskinen og den produserer

komponenten. Til slutt så sitter man igjen med en fysisk komponent og kan så vurdere designet og

eventuelt endre på det eller G-koden som brukes for å produsere komponenten.

Figur 3 Eksempel på design og produksjonsprosess ab en komponent ved hjelp av CAD og 3D printing

3

G-kode, M-kode, eller maskinkode er en type programmerings språk som CNC maskinen bruker som

oppskrift for det den skal gjøre. G-kode kan sammenlignes med en bakeoppskrift der man får steg for

steg beskrivelser av hva man skal gjøre. Oppskriften for sukkerbrød og grovbrød er ikke lik, men du

begynner gjerne med å skru på ovnen i begge tilfeller. G-koden begynner også ofte med en del

standard ting som for eksempel å be maskinen finne ut hvor verktøyet befinner seg i forhold til

arbeidsstykket, eller skru på kjøling av verktøy. Bakeoppskrifter er nedskrevet i kokebøker, på ark, og

finnes også på internett. G-kode lagres som elektroniske filer og kan i utgangspunktet leses og tolkes

hvis man vet hva de ulike kodene står for. De ulike kodene har også litt varierende betydning fra

maskin til maskin. Generelt så pleier kodene som begynner med bokstaven G å bestemme bevegelse,

og de med M å være maskin spesifikke kommandoer.

Figur 4 Utdrag av g-kode til en 3D-printer

Vi kan bruke Figur 4 som er et utdrag av en G-kode fil som er ment for en 3D-printer, som et

eksempel. Maskinen leser koden som vi, linje for linje, og starter med G21. Det forteller

programvaren på maskinen at det er millimeter som er enheten for distanse i denne G-kode filen. Så

kommer M107, som forteller maskinen at den skal skru av en vifte den har. Så kommer en rekke

M104, M109, M140, og M190 kommandoer som varmer opp deler av maskinen (Reprap

contributors, 2014). Bokstaven S som står bak kommandoene forteller hvor varm delen skal bli i

celsius. S180 = 180 C°. Sånn fortsetter filen nedover med ulike kommandoer. Noen maskiner kan

bruke flere filer for å produsere en del. For å forenkle bildet noe for dem som ikke har forkunnskaper

om CNC styring fra tidligere så antar vi i denne rapporten at en produsert del ikke trenger mer enn en

fil med G-kode for å produseres.

4

CNC-maskinen som denne rapporten omhandler er en 3 akset (x,y,z) maskin. Aksene tilsvarer de i det

kartesiske koordinatsystemet. I Figur 5 vises aksene sin orientering på CNC-plasmakuteren. Med

disse 3 aksene så kan verktøyet til maskinen nå alle punktene innenfor arbeidsområdet til maskinen.

Denne maskinen kan, hvis det blir festet et bor på den, borre hull som går rett opp og ned. Hull som

går i z-retning. Men hva hvis det er nødvendig å borre et hull som går på skrå? Da bruker man en

maskin med 4 eller flere akser. Denne innledningen til hva en CNC-maskin er, har allerede blitt

ganske lang, så prinsippet med flere akser vil ikke bli forklart. Men en måte å lage en 5 akset fres på,

kan sammenlignes med å sette en hånd som kan rotere rundt seg selv i verktøyfestet. I hånden

plasserer du en batteridrill med et bor i, og den kan da borre hull i alle vinkler.

Figur 5 Aksene på CNC-plasmakutteren

Så hvorfor en CNC-maskin, hva skal universitetet med den, og hvorfor akkurat en 3 akset maskin?

Universitetet trenger et laboratorium der elevene i sine ingeniørfag kan arbeide med praktiske

oppgaver. Dette siden praktisk erfaring med produksjonsprosesser er uvurderlig når det kommer til

forståelse av hvordan man kan designe en komponent produksjonsvennlig. En 3 akset CNC-

plasmakutte og fres er ikke så avansert i bruk og kan by på en godt første møte med CNC maskiner.

Universitetet driver også med forskning og utvikling og trenger da også maskiner som kan produsere

delene det forskes på. Med mer bruk av CNC-maskiner så kunne det vært spart enorme mengder

arbeidstimer som går med til manuell produksjon av kompliserte deler. Tersklene for å sette i gang

med et prosjekt vil også være mye lavere hvis man har effektivt produksjonsutstyr tilgjengelig. En 3

akset CNC-plasmakutter er relativt lett og bygge og dimensjonere sammenlignet med andre maskiner

som universitetet kunne ha bruk for. Det er i tillegg mulig å feste en rekke andre verktøy på den, og

videreutvikle maskinen. Dette gjør at universitetet nå gjør en investering i en maskin, som vil kunne

gi avkastning både som produksjonsmaskin, og som forskningsobjekt i fremtiden.

5

1.1 Bakgrunn På slutten av vårsemesteret 2013, etter eksamen, bygde oppgaveskriver en 3D-printer (FDM™ type)

FMD står for «Fused deposit moddeling» som er en additiv produksjonsprosess der man legger på lag

på lag med et materiale for å produsere en fysisk gjenstand. Oppgaveskriver kom i snakk Jan Kåre

Bording, da Sjefingeniør på IKM ved UiS, som også holdt på med 3D-printing på tidspunktet. Etter

hvert kom man innpå at UiS har et mekanisk verksted som ikke lever opp til det vitenskapelige nivået

til universitetet. Det ble diskutert hva som kunne gjøres for å forbedre situasjonen og å skaffe en

CNC-plasmakutter kom opp som en god ide. Det var enighet om at den ville kunne være til stor hjelp

for studenter og ansatte i forhold til mulighetene til rask, enkel, billig, og presis kutting av stålplater.

Å kunne kutte stålplater er nyttig siden man kan bygge alt fra pc-kabinetter, paneler,

dreiekondensatorer, og mye mer ut av tynnplater. I tillegg så er det en fordel å kunne kutte opp

tykkere plater presist for produksjon av en rekke ulike ting.

Siden en CNC-plasmakutter i all enkelhet er et 3D-koordinatbord styrt av en datamaskin, så er den

ikke så ulik en 3D-printer av FMD™ typen. Den vesentlige forskjellen med en 3D-printer av FDM™

typen at den har en plasmakutter og ikke et 3D-printer hode festet på seg. Det ble raskt klart at

designet og konstruksjonen av en slik maskin, var noe oppgaveskriver kunne skrive en

bacheloroppgave om. Med sin bakgrunn som elev på TAF-randabergmodellen på Randaberg Vgs. har

oppgaveskriver verkstederfaring i metallarbeid. Dette på lik linje med en som ville gått ut i lære som

industrimekaniker eller CNC-operatør. Da ville det også være mulig å bygge maskinen og man ble

enig i at dette var en oppgave det var verdt å satse på. Siden maskinen ville koste litt, men ville bli et

viktig tilskudd til maskinparken på verkstedet, så tok Jan Kåre Bording saken videre til Sjefingeniør

John Grønli. John Grønli var på det tidspunktet ansvarlig for det mekaniske verkstedet på IKM og

styrte derfor med innvesteringene til verkstedet. Det ble gitt klarsignal fra han og så lå ballen død

over ferien.

Etter ferien ble det gitt en mer detaljert oversikt over hvilke spesifikasjoner IKM-avdelingen på UiS

ville at maskinen skulle ha. Oppgaveskriver fant en veileder som var gal nok til å gå med på

prosjektet, Førsteamanuensis Hirpa G Lemu, og fikk godkjent søknaden om oppgaven. Etter jul så

startet arbeidet med å sette de siste rammene som var nødvendig for å kunne begynne på oppgaven.

Dette viste seg å bli vanskelig da John Grønli var i permisjon og Jan Kåre Bording hadde sluttet. Da

verken personen som hadde garantert midler eller personen med kompetanse om CNC-maskiner

tilgjengelig.

1.2 Begrensninger og rammer

1.2.1 Oppgavebeskrivelse Oppgaven lød fra starten: «Designe, dimensjoner, og konstruer en CNC-plasmakutter som også kan

bygges om til en CNC-fres» Det ble holdt et møte i februar med Sjefingeniør Ingun Cecilie Oddsen, og

Hirpa G. Lemu. Ingun tok over John Grønli sin jobb som ansvarlig for verkstedet, og innkjøperjobben

som Jan Kåre Bording tidligere hadde hatt. På møtet ble det lagt et ledd på oppgavebeskrivelsen og

den endte opp med å lyde som følger: «Designe, dimensjoner, og konstruer en CNC-plasmakutter

som også kan bygges om til en CNC-fres, med hensyn til at det kan fortsettes å forskes på/med

maskinen i fremtiden»

6

1.2.2 Økonomi Økonomiske rammer en interessante siden man ikke kommer noen vei uten penger når man skal

bygge noe så avansert som en CNC-plasmakutter.

Det ble satt en økonomisk ramme i starten av prosjektet der det ble enighet om at maskinen skulle

ha et budsjett på 20.000kr.

Innkjøpsrammene til universitetet begrenser også oppgaven. Universitetet kan i praktisk forstand

ikke handle på de store nettmarkedene siden de ikke har et kredittkort eller annen form for

kreditbetalings konto. Dagens løsning er at studentene eller innkjøpsansvarlig legger ut private

midler og så får dem refundert. De fleste delene må handles på nettet siden de ikke er tilgjengelig

hos Norske forhandlere, eller bare er tilgjengelige til en unødvendig høy kvalitet og pris for denne

maskinen. Oppgaveskriver har ikke stor inntekt og deler til 20.000 var det da ikke aktuelt å legge ut

for selv. Oppgaveskriver fant det også uetisk at innkjøpsansvarlig skulle måtte legge ut for hele

maskinen. Dette er vell strengt talt en ordning et universitet ikke burde finne seg verdig å ha.

Det ble pga. dette handlet med proforma i stedet. Siden det blir en stor administrasjonsjobb å handle

alle delene på den måten, og at de delene som ble handlet på den måte ikke ble betalt på nesten en

måned av universitetets, så ble det ikke mulig å bygge ferdig maskinen før leveringsfristen.

Beregningene og en tilnærmet komplett komponentliste ligger derimot klar og danner grunnlaget for

denne rapporten.

Oppgaveskriver og innkjøpsansvarlig handlet inn noen deler til maskinen på private kort og fikk det

refundert etter at proformaene ikke ble betalt inne rimelig tid. Det er planlagt at oppgaveskriver skal

handle inn de resterende delene på privat kort etter at semesteret er over. Dette skjer under protest,

men maskinen må bli ferdig og ordningen med proforma fungerer ikke på universitetet sin side.

1.2.3 Mekanisk Å ha klarlagt de mekaniske rammene er viktige siden de fleste beregningene i denne oppgaven er

mekaniske beregninger. Da er det viktig å ha klare rammer og kvantitative mål som resultatet av

beregningene kan sammenlignes med.

De underliggende styrende rammene for det mekaniske designet er: Maskinen skal bestå av moduler

som det er lett å demontere sånn at maskinen lett kan monteres og demonteres etter behov.

Modulene skal være så lette som mulig sånn at det ideelt sett sal være mulig for en person å

montere maskinen. Målet er at hver modul ikke skal veie mer enn 25kg. Maskinen skal ha et design

og bestå av mest mulig standarddeler sånn at den lett kan vedlikeholdes. Maskinen skal monteres på

skjærebordet i sveisehallen i D-bygget på UiS, og utnytte hele bordets arbeidsflate.

Maskinen designes som to forskjellige maskiner plasmakutter og fres. Det settes derfor opp følgende

to senarioer for belastning:

Fres: Belastning på 250N på verktøyspissen, en akselerasjon for x- og y-aksen på ⁄

, og

topphastighet på minst ⁄ .

Plasma: Ingen belastning på verktøyspissen, en akselerasjon for x- og y-aksen på ⁄

, og

topphastighet på minst ⁄ .

I begge tilfellene skal ikke maskinen ha en total defleksjon i rommet på mer enn 0,5mm.

Defleksjonen måles fra verktøyspiss til skjærebord.

7

1.2.4 Elektrisk Som nevnt tidligere i innledningen så er CNC en måte å styre maskinen på. Når CNC baserer seg på

data og elektronikk så blir det derfor viktig å sette klare rammer og krav til den biten av maskinen.

Derfor er det interessant å se hvilke krav som blir satt for å forstå den videre beslutningsprosessen i

rapporten.

Denne delen skulle egentlig settes ut til en elektro eller data student, men siden det ikke lyktes så

måtte oppgaveskriver gjøre denne jobben også. Derfor er elektro biten tatt med også.

Oppgaveskriver studerer til maskin ingeniør og ikke elektro, data, eller mekatronik. Pga. dette så har

mye arbeid gått med til læring. Det er forsøkt å vise de relevante valgene og problemstillingene ved

det elektriske systemet til maskinen, men det kan ikke garanteres at alle relevante aspekter er belyst

i oppgaven. Følgende rammer er satt opp for elektro biten av maskinen.

De underliggende kravene til den elektriske løsningen er: Programvare må være lett å bruke og lære,

samtidig som den må ha innstillinger som gjør at man kan videreutvikle maskinen. Løsningen må

være robust med tanke på slitasje pga. kjemikalier, varme, EM-støy, UV-stråling, og mekanisk slitasje.

Det er viktig med et ryddig design og mest mulig bruk av standard deler for å kunne vedlikeholde

maskinen i fremtiden. Løsningen må tilfredsstille de mekaniske kravene for moduloppbygning og

bevegelse.

1.3 Begrunnelser

Bruk av Matlab™

Alle beregninger, utenom de økonomiske, på det endelige maskindesignet er gjort i Matlab™.

Grunnen til dette er at det er forsøkt å lege en samling skript og funksjoner som ved hjelp av felles

parametere gjennomfører alle utregningene. Samlingen er bygd opp med en hovedfil der de fleste

parameterne settes, og så flere funksjoner som bruker disse til å gjennomføre utregningene. På den

måten kan man raskt gjøre en endring av et parameter og så se hvordan det har innvirkning på

maskinen. Samlingen vil ikke bli helt ferdig utviklet, og det er stort rom for forbedring av både ren

kode og også mer nøyaktige utregninger, men den vil fungere til sin hensikt i denne oppgaven.

8

1.4 Rapport struktur Dette er en lang rapport og for å finne frem til relevant informasjon så kan det være nyttig for leser å

vite hvordan rapporten er strukturert.

Rapporten er bygd opp med tanke på at den ikke bare skal fungere som en presentasjon av arbeidet

som er gjort for å få best mulig karakter, men også for at den skal kunne brukes av andre senere for å

arbeide videre på maskinen. Det tas utgangspunkt i at de fleste som leser rapporten enten har en

data og elektro, eller maskin utdanningen. For å gjøre det lettere å finne frem er elektro og mekanisk

skilt ut i hver sine kapitler. Alt som har med elektrisk, elektronisk, og programvare teori, beregninger,

valg, og begrunnelser er plassert under kapittel 2 Elektro. Alt som har med mekanisk design, og valg

av materialer er plassert under kapittel 3 Design, oppbygning, og løsninger.

Alle resultater av mekaniske utregninger er diskutert i kapittel 4 Diskusjon av resultater.

Resultatene av elektro utregninger blir diskutert i delkapitlene under kapittel 2 elektro. Noen

relevante resultater tas allikevel med i kapittel 4.Den påfølgende konklusjonen som bygger på

kapittel 2,3,og 4 er presentert under kapittel 5 Konklusjon

I et forsøk på å gjøre rapporten litt mer ryddig så har kapitlene blitt delt opp i underkapitler, for

eksempel «Rammen» og «Lineære føringer og bevegelse» under kapittel 3. I disse underkapitlene så

ligger de enkelte deler/komponenter og problemstillinger/valg.

Enkelte delkapitler som ligger under kapittel 2 og 3 vil være sterkt knyttet sammen og det vil der

være en referanse til de stedene i oppgaven hvor man vil kunne finne den relevante informasjonen.

I all hovedsak så kan man lese oppgaven på tre måter som vist i Figur 6.

Figur 6 Forslag til hvordan oppgaven kan leses på av lesere med ulik bakgrunn

9

1.5 Ordforklaring 3D-Printer En maskin som bygger opp et 3 dimensjonalt objekt ved en additiv prosess

FDM™ «Fused Depositing Moddeling» en additiv produksjons prosess der man legger til

materiale ved dele figuren man vil lage opp i lag for så å tegne hvert lag med for

eksempel en smeltelimpistol for å bygge opp en figur. FDM™ er et registrert

varemerke til Stratasys Inc.

IKM «Institutt for Konstruksjon og Materiallære» et institutt under Det teknisk-

naturvitenskapelige fakultet ved Universitetet i Stavanger

eBay™ Auksjonsnettsted www.ebay.com hvor selgere og kjøpere av omtrent alt som kan

tenkes av lovlige varer møtes.

PayPal™ PayPal™ er en betalingstjeneste for netthandel som skal sikre både kjøper og selger

mot svindel.

Shims Tynne plater av metall som brukes som distansemateriale mellom deler for å

finjustere maskiner (Wikipedia contributors, 2014)

Matlab™ Matlab er et matematisk programmerings-program fra MathWorks.

10

2 Elektrisk

2.1 Programvare

2.1.1 Styring av maskinen For at maskinen skal kunne gjøre noe trenger den programvare som kan lese G-kode filene. Selv om

man kan bytte ut programvaren senere er det en fordel å velge en bra programvare fra starten av.

Programvaren er begrenset i forhold til hvor mange akser og hvilke verktøy den støtter.

Programvaren er også det de fleste brukerne kommer til å arbeide mest med foruten selve

monteringen av maskinen. Det er derfor viktig at brukergrensesnittet er godt. Siden maskinen i

fremtiden også skal videreutvikles så er det en fordel å ha et stort brukermiljø rundt programvaren,

som kan komme med tips og hjelp når man støter på utfordringer.

Valg

Det finnes mange løsninger til programvare. For å finne frem til den som er best egnet så har

oppgaveskriver søkt rundt på internett forum for CNC-selvbyggere og brukere. Ut i fra det som ble

funnet på forumene så ble det sett nærmere på to programvarer. Begge er godt utbredt og har store

brukermasser. De har i tillegg innebygde profiler for en rekke ulike maskiner. Alternativene som ble

vurdert var LinuxCNC, og Mach3.

LinuxCNC

LinuxCNC er en linuxdistribusjon, altså et eget operativsystem sånn som Windows eller OSX.

LinuxCNC har en stor brukergruppe i friprogmiljøet og er stadig under utvikling. LinuxCNC ser ut til,

uten at oppgaveskriver har fått testet programvaren selv, å være det alternativet som har flest

innstillinger man kan leke med. Derfor blir det det beste valget i forhold til utvikling og forskning på

maskinen. Programmet er også gratis noe som er en stor fordel. En annen vesentlig fordel er at

LinuxCNC kan gjøres til et RTOS, «real-time operating system». Et RTOS er et operativsystem som

prioriterer oppgavene til operativsystemet sånn at de viktigste oppgavene skjer med minst mulig

forsinkelse. LinuxCNC kan også kjøre på det populære utviklerkortet Raspberry Pi. Dette gjør at det

er mulig å putte elektronikken in ni en mindre boks. Den store bakdelen er at det er Linux, som for

mange vil bli fremmed og skremmende.

Mach3

Mach3 er det andre alternativet og er et program som installeres i Windows. Det har også en stor

brukergruppe og mange som har lagd tillegg og plugin til programmet. I og med at det kjører i

Windows så vil det være mulig å kjøre kjente CAD programmer som brukeren kjenner til fra før. Det

er også en rekke programmer for å lage g-kode til maskinen lett tilgjengelig i Windows. Selve det

grafiske brukergrensesnittet er relativt enkelt og godt tilpasset en berøringsskjerm. Se Figur 7 på

neste side. Mach3 er ikke gratis og kostet den 11. April 2014 175 USD.

Konklusjon

Når målet er å få flest mulig til å bruke maskinen så burde den helst vært talestyrt med 3D-touch

grensesnitt. Når oppgaveskriver har erfaring med at man fort må bruke kommandolinjeverktøy for å

gjøre ting i Linux, så blir det for avansert. En professor eller student har ikke tid til å skulle lære seg et

operativsystem for å kunne bruke maskinen. Valget faller da på Mach3 siden det kjører i Windows.

11

Figur 7 Skjermdump Mach3

2.1.2 G-kode generator G-kode generatoren er programmet som produserer G-kode fra CAD filen. Siden oppgaven er å

dimensjonere og konstruere en CNC-plasmakutter så er det ikke brukt tid på å finne program som

kan produsere G-kode. Programmene finnes og det er mange alternativer, men oppgaven er allerede

så stor at det ikke brukes tid på dette.

12

2.2 Elektriske og elektroniske komponenter

2.2.1 Styringskort og motordrivere Styringskortet er ryggraden til en CNC maskin. Det har i oppgave å videreformidle signalene til og fra

datamaskinen og de ulike komponentene. På en del modeller er det også her likestrømmen til

motorene kobles inn og så viderekobles. Nødstoppen til maskinen er også normalt koblet inn her og

skrur av selve styringskortet når den blir aktivert. Det finnes mange typer kort som bruker alt fra USB

til db9 og db25 tilkobling. Siden det finnes mange å velge mellom, og denne komponenten er

ryggraden til maskinen, så er det viktig å velge et med god kvalitet. Det er med andre ord viktig å vite

at kortet ikke bare takker for seg uten videre.

Motordriveren har ansvaret for å drive nettopp motorene. De mottar signaler fra styringskortet om

hvor mange steg(se forklaring under kapittel 2.2.3 Motorer), hvilken retning motoren skal rotere, og

et på signal. De kan i tillegg motta signaler om microstepping(se forklaring under kapittel 2.2.3

Motorer), og mye annet avhengig av modellen. Strømmen til motorene går gjennom motordriverne

og de er derfor kanskje de elektriske komponentene som er utsatt for størst slitasje på maskinen. Det

er viktig at kortet er av god kvalitet sånn at ikke den høye spenningen til motorene blir sent tilbake til

datamaskinen. Da kan datamaskinen bli ødelagt. Som med styringskortet er det viktig at den

generelle kvaliteten til motordriveren er høy siden motorene ikke vil bevege seg uten dem.

Valg

Siden det finnes så mange valg så ble en løsning som ofte ble nevnt på nettforum som en god løsning

sammen med programvaren Mach3 valgt. Alternativene blir ikke diskutert siden det blir mye unødig

teknisk fakta og forklaringer ved å ramse opp så ulike alternativer, men kriteriene var kvalitet, at

produktet var utbredt, at det hadde en brukermasse innenfor selvbyggermiljøet, og at prisen ikke var

for høy. Valget falt på kortet G540GeckDrive fra anerkjente amerikanske GeckoDrive™ som har 4

stykk G250 motordrivere innebygd i kortet.

Spesifikasjoner

Kortet har 4 motordrivere, 4 input porter, og 2 output porter. De 4 input portene blir alle brukt til

THC enheten(3 stykk) og endestopp bryterne. En av output portene brukes til å skru på

plasmakutteren/fresen alt etter oppsett. Kortet kan ta opp til 50VDC inn og kobles til datamaskinen

gjennom en db25 kabel. For flere spesifikasjoner se vedlegg 4 Brukermanual G540 GeckoDrive

Motordrivere

De innebygde motordriverne av typen kan ta opp til 50VDC og levere 3,5A per spole til stepper

motorene. Dette tilfredsstiller behovet for strøm som man kommer frem til i kapittel 2.2.3 Motorer.

Motorene kobles til kortet ved medfølgende db9 kontakter(se portene i Figur 8), som gjør at det går

raskt og er lett å demonter dem hvis det skulle bi nødvendig i fremtiden. For å se flere

spesifikasjoner se vedlegg 4 Brukermanual G540 GeckoDrive.

13

Figur 8 Bilde av G540 kortet Kilde (Gecko Drive, u.d.)

2.2.2 Strømforsyning Motorene trenger strøm for å bevege seg, og stepper motorer trenger likestrøm DC. Hvis

styringskortet er ryggmargen så er strømforsyningen hjertet til maskinen. motorene trenger også, så

høy spenning som mulig for å kunne ha høyest mulig rotasjonshastighet. Det er allikevel viktig at

spenningen ikke overstiger maks spenningen for styringskortet. I dag så er det en rekke

strømforsyninger tilgjengelig på markedet. Problemet er at mange strømforsyninger ikke

nødvendigvis oppfyller norske krav i forhold til konstruksjon og sikkerhet. Det er derfor viktig å være

klar over dette når man skal handle.

Valg

Oppgaveskriver valgte å kjøpe strømforsyning gjennom leverandøren av motorene. Dette siden

leverandøren av motorene ikke vil ha dårlig omtale pga. et verksted brant ned pga. deres

strømforsyning. Dermed velger de et kvalitetsprodukt. De velger også en strømforsyning som vil

holde over tid og er egnet for den belastningen stepper motorer vil utsette den for.

Leverandøren valget en 36V 10A, 360W strømforsyning med jording. 10A er på grensen hvis alle

motorene trakk maks strøm hele tiden, men siden de reguleres ned og bare trekker maks strøm deler

av tiden(se kapittel 2.2.3

14

Motorer) så regnes det som godt nok.

15

2.2.3 Motorer Dette kapittelet henger sammen med kapittel 3.4.2 og blant annet momentet regnes ut der.

For at maskinen skal kunne bevege seg så trenger den motorer. Siden noe av det viktigste med en

CNC-maskin er nøyaktig bevegelse så blir valget av motor svært viktig. Det finnes mange typer

motorer, men valget av andre komponenter for denne maskinen begrenser valgmulighetene noe. For

denne maskinen er det valgt en «open loop» styring av bevegelsen. Det betyr at datamaskinen styrer

bevegelsen til motorene, men datamaskinen har ingen måte å kontrollere om maskinen faktisk har

beveget seg. Derfor må motorene kunne bevege seg en bestemt strekning og så stoppe der uten

noen kontroll om det ble rett. Store industriskala CNC-maskiner bruker ofte servo motorer, men de

er «closed loop» (Wikipedia contributors, 2014). Servo motorene er avhengige av en enkoder som gir

tilbakemelding til datamaskinen om rotasjonen til motoren for å kunne gi nøyaktig bevegelse. Valget

faller derfor på stepper motorer.

Stepper motorer er bygd sånn at en rotasjon er delt opp i mange steg, eller «step» på engelsk

(Wikipedia contributors , 2014). Antallet steg varierer og for denne rapporten så tar vi

utgangspunktet i at 200 steg tilsvarer en rotasjon av motorakselen. For hvert steg så kan motoren

levere full kraft mens den holder den posisjonen. Dette gjør steppermotoren i stand til å yte

motstand mot bevegelse selv om den ikke beveger seg, litt som håndbrekket på en bil. Hvis det er

montert en fres på maskinen og den bare skal bevege seg i y-retning for å ta et kutt, så vil motorene

som beveger verktøyet i x-retning hindre bevegelse i x-retning.

Siden motoren er delt opp i steg så kan man regne på hvor mange steg det vil ta for at maskinen skal

bevege seg 1 mm. Hvis man forteller dette til datamaskinen så vil den sende signal til motordriverne,

som styrer strømmen til motoren, at den skal ta så mange steg som er nødvendig for å oppnå den

ønskede bevegelsen. Hvis det er montert en gjengestang med 2mm stigning direkte til motoren sin

aksling, og den har 200steg/rotasjon så blir det 0.01mm bevegelse per steg. Mutteren på

gjengestangen skal bevege seg 3.25mm, da må motoren ta 3.25/0.01 = 325 steg. Ved at

datamaskinen vet hvor mange steg den har tatt så regner den ut hvor verktøyet er til enhver tid. I

tillegg til å ta hele steg så kan de fleste motordrivere for stepper motorer i dag gjennomføre

microstepping. Microstepping er at motoren befinner seg i en posisjon mellom to steg. For mer info

om hvordan det gjennomføres se teori avsnittet på neste side.

Valg av stepper motorer er svært viktig for maskinen. Hvis motorene ikke er sterke nok så vil ikke

maskinen kunne bevege seg raskt nok eller kutte i materialene den skal kutte i. Det finnes mange

forskjellige produsenter så det er en stor jungel å finne frem i for å velge riktig motor. Motorene på

hobby markedet er i all hovedsak standardisert i design etter NEMA størrelser, hvor NEMA 17 er

mindre enn NEMA 23 osv. En NEMA 17 motor kan ha like stort moment som en NEMA 23 motor,

men vil da typisk være lengre og ha større induktans. Motorene må kunne passe på rammen noe som

begrenser utvalget noe. For å finne frem i jungelen er det brukt formler som vist i teori delen på

neste side.

16

Teori

En stepper motor er som nevnt på forrige side bygd sånn at en rotasjon er delt opp i et vist antall

steg. Det tas utgangspunkt i en bipolar motor med 200steg/rotasjon siden det er det som skal brukes

i denne oppgaven. Det er to sett med spoler i motoren som trekker på en mange polet magnet som

er montert rundt akslingen som roterer. Magneten til en steppermotor ser litt ut som et tannhjul

med hver tann som en magnetisk pol, Se Figur 9. For å gå et steg så må en av spolene bytte polaritet.

Dette skjer ved at den snur på spenningen, den bytter fortegn. Da går strømmen i spolen den andre

veien og setter opp et magnetfelt med motsatt polaritet. Microstepping der den ene spolen bytter

polaritet raskt og på den måten holder statoren mellom to steg. Det regnes videre bare på hele steg.

Figur 9 Innsiden av en stepper motor Kilde: (Dolly1010, 2011)

En Stepper motor får større moment jo mer strøm som går gjennom spolene i motoren. Mengden

strøm som går gjennom spolen er bestemt av følgende formel som varierer med tiden:

( )

Hvor I er strømmen, U er spenningen, t er tiden, L er induktansen til spolen, og er strømmen som

gikk fra før av.

Strømmen og dermed også momentet til motoren øker med tiden. Den vil fortsette å øke helt til

spenningen snur retning(motoren tar et nytt steg), eller resistansen i kretsen hindrer strømmen i å

øke mer. Motordriveren som er valgt for til denne maskinen regulerer strømmen sånn at den ikke går

over grensen for hvor mye strøm som skal gå gjennom spolen.

17

Hvor mye strøm som skal kunne gå gjennom spolen for å oppnå nødvendig moment kan regnes ut

ved å dele strømmen ved maks moment på maks moment. Så multipliserer man tallet med ønsket

moment. er regnet ut i kapittel 3.4.2

18

Lineær bevegelse:

For å ta et steg så må en spole snu polaritet. For å snu polaritet så må strømmen gå fra til 0 og

så til . Siden formelen egentlig forteller oss hvor lang tid det tar å forandre elektrisk strøm

gjennom en spole så bruker den like langt tid på å lade spolen som å lade den ut. For å ta et helt steg

og en hel rotasjon så tar det med andre ord:

For da å finne rotasjonshastigheten til motoren så blir formelensom vist under (Daycounter Inc.,

u.d.).

Det regnes på RPS og ikke RPM siden det senere skal regnes hastighet i meter per sekund.

Valgte motorer

Valget falt på NEMA 23 motorene: 57BYGH115-003 for x- og y-aksen, og 57BYGH603 for z-aksen. På

x-aksen vil det bli brukt to motorer, en på hver side. Se Figur 5 Aksene på CNC-plasmakutteren hvis

uklart. Se Tabell 1 for motorspesifikasjoner.

Tabell 1 Motorspesifikasjoner steppermotorene. Kilde (Changzhou WanTai Electrical Appliance Co.,Ltd, u.d.)

Model

Step

Angel

( °)

Motor

Length

L(mm)

Rate

Voltage

(V)

Rate

Current

(A)

Phase

Resistance

(Ω)

Phase

Inductance

(mH)

Holding

Torque

(kg.cm)

Rotor

Inertia

(g. cm2)

Detent

Torque

(kg.cm)

Motor

Weight

(kg)

57BYGH115-003 1.8 115 6.3 3 2.1 9 30 810 0.89 1.55

57BYGH603 1.8 78 8.6 1 8.6 18 14.5 480 0.68 1

Beregninger

Det vil bare bli regnet på motorene for x- og y-aksen. z-aksen skal som det kommer frem i

kapittel3.4.2, bruke en trapesgjengestang. Oppgaveskriver har bygd en 3D printer tidligere med bruk

av samme typer gjengestang, Tr10x2, og med motorer med 1/5 av momentet til 57BYGH603. Det

fungerte selv under større belastninger og det antas også derfor at det vil fungere i dette tilfellet.

For x- og Y-aksen så ble det gjennomført beregninger på maskinen som både plasmakutter og fres, se

innlendingen kapittel 1.2.3 for rammene. Den aksen av x- og y-aksen som krevde størst moment av

motoren ble lagt til grunne for resten av utregningene.

y-aksen når maskinen fungerer som en CNC-fres var den som krevde størst moment. Plasmakutteren

har krav til høyere bevegelseshastighet enn fresen, og derfor regnes det på plasmakutteren sitt RPS

19

behov. Hvis det blir tilfredsstilt ved momentet til fresen, så vil det også bli tilfredsstilt ved

momentbehovet til plasmakutteren som er mindre.

⁄

Kravet til moment gjelder maskinen i bevegelse. Det dynamiske momentet til motorene er ikke like

stort som det statiske momentet også kalt holde-momentet. De fleste motorprodusenter legger ut

en kurve som viser sammenheng mellom moment og rotasjonshastighet. Det finnes for denne

motoren også, men det er ikke mulig å lese siden den er et lavoppløst bilde. For å være på den sikre

siden brukes et forhold mellom dynamisk og statisk moment på 0,7 (Machsupport Forum Users,

2008). Dynamisk moment er 70% av statisk moment ved samme strømmengde gjennom spolene. Da

får vi et nytt krav til det holde momentet som skal brukes videre i utregningene:

Strømmen som går gjennom spolen må da være:

Spenningen U fra strømforsyningen er 36 volt, men det regnes et tap på 1 volt gjennom

kablene. Induktansen L, og steg per rotasjon (1.8° = 200 steg/rot) hentes fra Tabell 1.

( )

⁄

Konklusjon

Ut ifra beregningene ovenfor kan vi se at motorene valgt for x- og y-aksen er sterke nok. Dette fordi

Motoren greier et høyere turtall enn kravet (3.56 > 3.18) når den leverer det høyeste momentet

maskinen krever, . I praksis så vil dette bety at motorene får tid til å nå et høyere moment enn

. Dette er en stor fordel siden det ikke er tatt høyde for friksjon i utregningen av .

Motoren for z-aksen antas å være sterk nok på bakgrunn av oppgaveskrivers erfaring.

Figur 10 Se valgte stepper motorene med fyrstikkeske for skala. Foto: Johan Andreas Thorkaas

20

2.2.4 THC Plasmakutteren er avhengig av å være i riktig høyde over arbeidsstykket for å få et best mulig kutt.

Siden tynnplater lett blir bøyd hvis de blir behandlet dårlig eller lagret på et utsatt sted over tid, så vil

de kunne være litt bølgete når man skal skjære de opp. For å få best mulig kutt selv om

arbeidsstykket ikke er helt flatt, må man da kunne juster z-aksen opp og ned under selve kutte

prosessen. Dette kunne kanskje væt mulig å gjøre manuelt hvis det ikke var snakk om store

forskjeller i høyden på arbeidsstykket, men i praksis så blir det umulig. Dette siden plasmakutteren

beveger seg svært raskt over tynnplatene når den kutter. Løsningen må da bli en automatisk

regulering av avstanden. Dette finnes og kalles for en THC-enhet «Torch Height Control ».

En THC enhet måler spenningen mellom arbeidsstykket og munnstykket til plasmakutteren.

Spenningen varierer som en funksjon av høyden over arbeidsstykket. Ved å sette en ønsket spenning

så kan THC enheten sammenligne den målte og den ønskede spenningen og gi beskjed til

datamaskinen om justeringer opp eller ned i z-aksen. På den måten vil munnstykket holde tilnærmet

optimal høyde over arbeidsstykket under hele kutte operasjonen.

Valg

Etter det oppgaveskriver har erfart ved å søke på nettet så er THC enheter fort kostbare. Siden

oppgaven har et begrenset budsjett så velges det en mer billig løsning som blir anbefalt av

forumbrukere på nettet. Dette siden forumbrukerne på CNC-relaterte forum raskt sier ifra hvis det er

problemer med et produkt og ber om hjelp. På den måte kan man finne ut om det er mye problemer

med produktet.

Proma Compact THC Controller 150

Valget falt på en THC enhet fra den polske produsenten Proma™ Enheten er valgt siden den får god

omtale, og fungerer godt med Mach3 programvaren og G540 styringskortet. Den kan i tillegg til å

kontrollere høyden gi signal når plasmabuen er klar. Da kan man kan velge at maskinen skal vente

med å bevege seg til den faktisk er i stand til å skjære. For mer info se vedlegg 3 Brukermanual THC-

enhet Proma. vider THC enheten som ikke er større en at den passer på en standard DIN35 skinne.

Figur 11 Bilde av Proma Compact THC Controller 150. Kilde vedlegg 3 Brukermanual THC-enhet Proma

21

2.2.5 Endestopp brytere Før maskinen kan begynne å kutte eller frese så må den vite hvor verktøyet befinner seg. Det er lite

hjelp i å ha et godt kart når man er på tur hvis man ikke kan finne ut hvor man er hen. Operatøren av

maskinen kan manuelt taste inn på datamaskinen posisjonen til verktøyet i forhold til skjærebordet.

Problemet er at det krever mye måling til for å finne den, det tar tid, det blir ikke helt den samme

hver gang, og sist men kanskje aller viktigst, det kan automatiseres.

Det er en halvsannhet at vår maskin kan finne ut hvor den er når den skrus på. Det finnes løsninger

for å finne ut hvor maskinen er uten å bevege den, men det var ikke penger til i budsjettet. I stedet så

vil det på denne maskinen bli brukt endestopp brytere. Det er brytere som står i begge ender av alle

aksene, og aktiveres når maskinen når endeposisjonen. Når de aktiveres så brytes et signal til

datamaskinen, og den stopper maskinen. På bakgrunn av bevegelsen til CNC-maskinen før den traff

endestopp bryteren vet den hvilken den traff. Maskinen i denne rapporten vil da vite hvor den var før

den traff endestopp bryterne. At maskinen bevist treffer endestoppene for å finne ut hvor den er

kalles «homing». Endestoppbryterne hindrer også maskinen i å krasje i seg selv.

Det er viktig at bryterne har god repeterbarhet, at de gir samme måling flere ganger. Da kan

maskinen «home» og produksjonen fortsette hvis maskinen skulle miste kontroll over sin posisjon.

Bryteren må også være mekanisk solid og tåle langvarig bruk.

Optiske brytere

En optisk bryter består av en laserdiode og en lysføler + elektronikk som føler om laserstrålen treffer

lysføleren. Hvis det kommer noe imellom så brytes den og det gis signal. Normalt monteres den en

liten plate på en maskinen som bryter lyset når den kommer nærme bryteren og på den måten

aktiverer den. Fordelen med denne bryteren er at den ikke har noen mekaniske slitedeler. Bakdelen

er at den til sammenligning med andre brytere er kompleks med sin elektronikk. Den er heller ikke så

nøyaktig, og koster mer en mekanisk.

Kapasitive brytere

Kapasitive brytere eller sensorer bruker kapasitansen mellom delen den skal måle på og en mottaker

for å beregne avstanden. Den er meget nøyaktig, helt ned i nanometer skala, og meget repeterbar.

Som med den optiske bryteren er det ikke noen mekanisk slitasje av bryterne. Bakdelen er at

bryterne er dyre, og komplekse i funksjon.

Mekaniske mikrobrytere

Mekaniske brytere er mekaniske og består av en fjærbelastet bryter som trykkes inn av maskinen når

den kommer i posisjon for å aktivere bryteren. De er enkle i funksjon og billige i innkjøp. De varer

lenge, men er ikke like nøyaktige som de kapasitive bryterne, men mer nøyaktige enn den optiske. De

er tilgjengelig i et utall utførelser og størrelser fra en reke produsenter.

Konklusjon

Det velges mekaniske brytere siden de er nøyaktige nok og billige i innkjøp. På DIY 3D-printere så

brukes det somregel mekaniske brytere og da opererer man med toleranser på 0.05mm for bryterne.

Det er mer enn nok for denne maskinen. Endestoppene velges å kobles sånn at de slipper gjennom et

signal, NC, når de ikke er aktivert. Hvis en av ledningene skulle gå i stykker eller at man skulle glemme

å koble dem til, så vil maskinen da ikke starte å bevege seg. Alternativet hadde vært at maskinen traff

endestoppen, ikke fikk noe signal siden bryterne var ødelagt eller ikke koblet på, og så krasjet i seg

selv.

22

2.3 Kabler, ledninger, og utfordringer rundt dem Hvis strømforsyningen er hjertet så er kablene og ledningene i maskinen blodsystemet. De har

ansvaret for å bringe strøm eller signaler til alle komponentene som trenger det. Noen deler som

motorene trenger mye strøm som motorene, og noe som endestopp bryterne nesten ikke noe. Jo

mer strøm du vil ha gående gjennom en kabel, jo større tverrsnitt trenger den.

Figur 12 Oppbygning av en kabel. Et redigert bilde for å oversette til norsk. Original kilde: (Plastics One Inc, u.d.)

En ledning er heller ikke alltid bare bygd opp av en enkelt kobbertråd, se Figur 12. Dette er en fordel

siden mange små kobbertråder gir en mer fleksibel ledning og kabel når den skal bøyes. Flere av

kablene på denne maskinen skal bøyes siden delene de er festet på beveger seg. Hvis hver ledning

består av en tykk kobber leder så vil den raskt få så mye arbeidsherding av den ryker. Da havarer

maskinen og morordriveren kan bli ødelagt. En leder med mange fine ledere vil derimot ikke bli

herdet på samme måte og fungere godt i mange år.

En annen fordel med mange små ledere er at det gir stor motstandsdyktighet mot skinneffekten

(Wikipedia contributors, 2014). Skinneffekten er et fenomen som opptrer når strømmen bytter

retning raskt. Strømmen vil da gå gjennom den ytterste delen, «skinn», av lederne, og ikke like mye i

midten. Dette er en av grunnene til at blant annet høyttaler og radio ledninger består av mange fine

ledere. Når man har mange fine ledere så blir den totale overflaten på lederen større enn med en

tykk leder. På denne maskinen så er det bare ledningene til motoren som kan være utsatt.

EM-støy kan også være et problem. Støyen som går gjennom luften forplanter seg i alt som er

ledende og vil skape støy på signalledningene. Støy vil her si at den kan gi falske signaler til

datamaskin og andre komponenter, og kan på den måte forstyrre maskinen i sin drift.

Elektronmikroskopet på universitetet kansellerer aktivt ut støyen rundt mikroskopet for å kunne få ut

gode bilder. Problemet med CNC-plasmakutteren er at det er selve plasmakutteren som er kilde til

den kraftigste støyen. Dette siden den har en HF-tenner «High Frequency» av plasma buen. Da kan

ikke selve maskinen skjermes og det må vurderes om det er nødvendig å skjerme elektronikken og

kablene mellom dem.

Som man kan forstå at det som står ovenfor er det ikke bare rett frem med kabler. Det er mye å

tenke på og derfor er de følgende delkapitlene nødvendige.

23

2.3.1 Kablene

Bakgrunn

På maskinen er det mange forskjellige elektriske komponenter som trenger signaler eller strøm. Det

er behov for forskjellig tverrsnitt og type ledning i kablene alt etter hva de skal brukes til. Alle

standardkabler som for eksempel strømkabel til PC nevnes ikke her siden det er overflødig

informasjon.

Kabler til stepper motorene

Stepper motorene har 6 ledninger på motoren, men man trenger bare 4 av dem for å kunne bruke

motorene. Dermed trenger man en kabel med minst 4 ledere. Det skal gå mye strøm gjennom

lederne, på det meste 3A. Siden spenningen ikke er veldig høy, 36V må man unngå at det blir for mye

spenningstap i ledningen sånn det blir liggende mest mulig spenning over motoren som forklart i

kapittel 2.2.3 Motorer. Det er også viktig at kabelen kan bøye seg regelmessig uten å få brudd pga.

arbeidsherding av lederne. For å motvirke det så må lederne bestå av mange tynne kobbertråder og

ikke en tykk. Dette motvirker også skinneffekten. Kabelen vil være en kilde for EM-støy siden det går

mye strøm gjennom den og den bytter retning fort (CNC-arena forum users, 2006). Sammenlignet

med en radio så er ikke frekvensen til en stepper motor stor eller «rask», men den er allikevel stor

nok til å kunne forårsake problemer (CNC-arena forum users, 2006). Det kan være en ide å bruke en

skjermet kabel som ikke slipper ut like mye EM-støy for å skjerme resten av maskinen fra den.

Plasmakutteren ses allikevel på som en mye større kilde til støy enn stepper motorene. Se kapittel

2.3.3. Ved å sette et krav på spenningstap på maks 1V så må det være et areal på minst

etter utregninger med Matlab-skriptet «ledning_tversnitt.m», se Vedlegg 1.

Oppsummert så er kravene helst en skjermet kabel med minst 4 ledere på minst og

med fintrådet leder sånn at den kan bøye seg.

Endestopp kabler

Endestoppene skal seriekobles så der trengs det bare en ledning mellom hver av endestoppene.

Ledningen må være i stand til å bøye seg siden den skal gå til bevegelige deler også, så en finkordet

ledning, gjerne høyttaler ledning er et bra valg. Tverrsnitt er ikke så viktig siden det ikke skal gå mye

strøm. For å unngå problemer med EM-støy så burde ledningene skjermes.

Strømforsyning til styringskort

Det er viktig med et stort tverrsnitt sånn at det ikke blir spenningstap her siden det vil gå mye strøm

gjennom ledningen. Ledningen skal ellers ligge i ro og vil være beskyttet mot EM-støy siden den ligger

inni kabinettet til elektronikken.

Signalkabler mellom THC-enhet og styringskortet

Avhengig av om THC-enheten skal stå i kassen sammen med den andre elektronikken, eller bygges

inn i plasmakutteren så vil den trenge forskjellige kabler. Skal den stå sammen med den andre

elektronikken kan det brukes vanlig datakabel. Skal den derimot stå på plasmakutteren må den ha

skjermede kabler.

24

2.3.2 Kabelkjede

Bakgrunn

Når maskinens deler beveger seg så må ledningene kunne bevege seg med dem. Siden maskinen har

ganske lange strek den beveger seg over så er det ganske lange strekk med kabel som skal strekkes ut

og trekkes tilbake alt etter maskinen sin posisjon. Hvis det ikke er noe som holder styr på hvor

ledningene er så vil de kunne sette seg fast i skjærebordet, deler som arbeides på, og alt mulig annet.

For å sørge for at det ikke skjer så brukes det kabelkjeder.

Om kabelkjede

Kabelkjeder kan minne om beltene på en beltevogn, er «hule», og gir bevegelsesmulighet i bare to

akse retninger. Se Figur 13 Ved hjelp av kabelkjeder så legges for eksempel kablene til alt som er

festet på y-vognen på toppen av y-rammen. Kabelkjedene kan også designes sånn at de begrenser

den minste mulige bøyeradiusen for kablene noe som igjen gjør at kablene varer mye lengere siden

de ikke får så mye arbeidsherding. Siden det er ganske lange strekk på denne maskinen så er det

nødvendig å bruke relativt brede kabelkjeder for å unngå det vi fra mekanisk design kjenner som

knekking. Kabelkjedet må være minst 50mm bredt og tykk/høyt nok til å kunne romme kablene.

Figur 13 Bilder av 3D-printet kabelkjede

Tromler for å sørge for rett bøying

Siden kabelkjedene er såpass lange så er et også ønskelig å ha kontroll på hvordan det kveiler seg

sammen på y-rammen for å få plass til hele kabelkjedet. For å sikre dette så er det ønskelig å

montere tre eller flere(avhenger av kabelkjede og kablene sin bøyeradius) tromler med tynn stålvaier

eller line som er fjærbelastet. Mekanikken blir litt som en hageslange trommel som trekker seg

automatisk inn igjen, eller et målebånd som ruller seg selv inn igjen. Se Figur 14 Det har ikke lyktes å

finne dette til en fornuftig pris og dimensjon så det må mest sannsynlig designes og produseres selv.

Hvis det ikke blir tid til å designe og produsere dem før maskinen er ferdig så er det en mulig ny

bachelor oppgave.

25

Figur 14 Illustrasjon tromler og kabelkjede på y-rammen

Oppsummering

Kabelkjeder er nyttige hjelpemidler for å hindre slitasje av kabler og sørge for at de ikke setter seg

fast eller kommer i klem under bruk av maskinen. Siden det er lange strekk med kabelkjeder så må

det være minst 50mm bredt for å prøve å unngå knekking, og tykt/høyt nok til å romme kablene.

Bøyningsradiusen burde forsøkes å tilpasses sånn at den er litt større enn anbefalt verdi for kablene

som blir brukt. Det er ønskelig å bruke tromler som drar i kabelkjedet og på den måten hjelper det

med å folde seg sammen mest mulig effektivt. Det har ikke vært mulig å finne noen tromler som

passer til formålet, men det går an å designe selv eller kanskje gjøre det til en egen bacheloroppgave

til neste år.

26

2.3.3 EM støy Når plasmakutteren i denne oppgaven skal starte å kutte så bruker de en HF-tenner. HF-tenneren

gjør det mulig å danne en lysbue sånn at dannelsen av plasma begynner. Dette sender ut store

mengder EM-støy. EM støy kan med litt kunstnerisk frihet sammenlignes med en båthavn der vi

spiser frokost i en liten sørlandssnekke. Havnen han en molo med en åpning rett ut til havet, og det

kommer stadig bølger inn her. Bølgene treffer pirene i havnen og blir kastet frem og tilbake innenfor

havnebassenget. Dette kan sammenlignes med bakgrunnsstøyen(EM-støy) fra verdensrommet. Disse

små bølgene rugger båten forsiktig men frokostbordet står støtt. Av og til så går det en båt inn eller

ut av havnene. Når den passerer forbi så blir det litt ekstra bølger som vugger båten noe kraftigere.

Vi holder på melkekartongen og glassene på bordet sånn at de ikke velter, men ellers så står alt støtt.

Dette kan sammenlignes med mange vanlige kilder til Em-støy som vi har rundt oss. Transformatorer

til lamper, HF-tennere til lysrør, plasmatv-er, osv. Disse er ikke noe problem hvis de er godt skjermet,

med andre ord at det er satt inn tilstrekkelige tiltak for å hindre at EM-støyen slipper ut. Av og til så

kan det hende at det ikke er nok, og det er dette som man kan høre som bakgrunnsstøy på

stereoanlegget. På den andre siden av havnen så er en stor Princess lystbåt med ørten for å en halv

million hestekrefter på vei ut av havnen. Når den ligger midt i havnebassenget så gir den plutselig

bånngass mot åpningen, og drar opp noen digre bølger. Nå er det bare å holde fast på alt på

frokostbordet, for når bølgene treffer båten velter både bordet og personene som sitter rundt. Her

har vi plasmakutteren sin HF-tenner i verste tilfelle. Men hva er egentlig problemet med EM-støy for

maskinen?

Hva er problemet for CNC-maskinen?

Elektronikken i CNC-maskinen er i all hovedsak digital. Det betyr at den kommuniserer og arbeider

med signaler som er enten av eller på, lav og høy. Det kan sammenlignes litt med morse hvis det bare

var mulig å sende prikker. Hvis man sitter å skal prøve å motta et morsesignal og noen andre i

rommet slår på høy musikk eller vil se på en actionfilm på full guffe på tv-en så kan det bli vanskelig å

høre signalet. Det kan bli så vanskelig å høre signalet at vi prøver å høre så hardt at vi hører signaler

som egentlig ikke er der. På den måten så blir det umulig for oss å motta den rette beskjeden.

Mennesker er gode til å se mønster i ting og kan på den måten kanskje takle å få et par bokstaver feil

for så å rette på det når man ser sammenhengen med det andre man har mottatt. Datamaskiner som

sender digitale signaler og blir utsatt for EM-støy kan ha det på samme måten som morse lyttere. E;-

støyen forplanter seg i ledningene og gir et rotete signal, se Figur 15. Det finnes noen måter

datamaskinen kan finne feil på i de mottatte beskjedene. Problemet signalene fra for eksempel

datamaskinen til motordriverne ikke kan bli dobbeltsjekket i motordriver enden. Motordriveren som

har blitt valgt har rett og slett ikke elektronikk til å gjøre det, og oppgaveskriver har heller ikke hørt

om noen som har det. Derfor er CNC-maskinen sårbar for EM-støy.

Stepper motorene en kilde til EM-støy

Stepper motorene har strøm som bytter retning. Med en hastighet på ca. 3 rotasjoner i sekundet, og

200 steg per rotasjon, så kommer vi opp i ca. 300Hz. Det er to poler og hver pol bytter bare retning

annenhver steg. Med microstepping 20, så kan dette øke ytterligere til 6kHz. Dermed vil stepper

motorene bli en kilde til elektromagnetisk støy. Det ser ut til, det oppgaveskriver har greid å finne ut

av informasjon på nettet, at det ikke vil være et problem for CNC-maskinen. De rapporterte

problemene som er funnet på nettet går ut på forstyrring av analogt utstyr. Det er ikke noe analogt

utstyr på maskinen som ikke har innebygd støybeskyttelse sånn som den nå er designet. Det er

ønskelig å videreutvikle maskinen i fremtiden og da kan det bli montert analogt utstyr.

27

Figur 15 Konstruert eksempel på EM-støy sin innvirkning på endestopp signalet

Hva på maskinen kan bli påvirket, og hvordan?

Siden styringskortet med motordriverne, og datamaskinene bygges inn i en metallkasse, så antas det

at dette ikke blir påvirket. Se forklaring lengre nede i kapitlet. De utsatte delene blir da ledningene til

THC-enheten hvis den plasseres i plasmakutteren, og endestoppene.

Signalet til endestoppet ligger jevnt på en spenning. For eksemplet ovenfor så brukes 5 volt. Hvis

spenningen når 0 volt eller i nærheten så vil datamaskinen anse endestoppen for aktivert og

maskinen vil stoppe. Figur 15 er et rent fiktivt konstruert eksempel, bare beregnet på å demonstrere

prinsippet med EM-støyen sin påvirkning. Fra den kan vi se at signalet når under 0 volt ved flere

anledninger(den røde grafen). Den blå linjen viser det egentlige signalet uforstyrret. Maskinen vil her

flere ganger stoppe opp siden den oppfatter endestoppen som aktivert. Støyen vil hindre maskinen

fra å fungere.

THC-enheten sender ikke et konstant signal, men gir et signal når z-aksen skal justeres eller

plasmabuen er tent. I kan man se den blå kurven som er det originale signalet fra THC enheten. Det

gir totalt 3 signaler til datamaskinen. Når EM-støyen kommer inn i bildet så blir signalet et helt annet.

Litt alt etter hvordan mottaker siden mottar signalet så oppfatter datamaskinen et sted mellom 3 og

9 signaler. Dette vil gjøre at det ikke blir riktig kutt høyde for plasmakutteren. Over tid så vil

maskinen justere høyden sånn at den blir tilnærmet rett, men den vil svinge rundt riktig høyde, aldri

bli værende der. Dette vil føre til unødvendig ujevne kuttflater.

28

Figur 16 Konstruert eksempel på EM-støy sin innvirkning på THC signalet

Teknologiske løsninger

EM-støyen forplanter seg i ledende materialer, som for eksempel ledninger. For å unngå at støyen

skal nå ledningen så kan man legge en ledning på utsiden av ledningen, se skjerming i Figur 12.

Støyen vil da forplante seg i denne ledningen i stedet og ved å jorde den så kan man unngå at den

skaper problemer for maskinen. Noe av det samme prinsippet gjør at man burde jorde skjærebordet

og elektronikk kassen, siden støyen også vil forplante seg i dem (Dave Cook, u.d.).

Å bruke tvinnede kabelpar til signaler er også en måte å motvirke støyen ( CNCCookbook, Inc., u.d.)

Et annet tiltak er å feste en ferritt kjerne rundt lederen. Dette demper høyfrekvente signaler som for

eksempel elektromagnetisk støy fra en plasmakutter, eller naboens plasma-tv ( CNCCookbook, Inc.,

u.d.).

For endestoppene sin del kan det hjelpe å stille «debounce» høyere i Mach3 programvaren. Dette

gjør at bryteren må være trykket inne lengre for at datamaskinen skal lese den som aktivert og

stoppe maskinen.

Konklusjon

Det velges å bruke skjerming på alle signalkabler som går på utsiden av kabinettene. Hvis ikke

kostnaden er for stor så burde det også brukes på kablene til motorene. Det er ønskelig å få satt et

eget jordspyd under maskinen sånn at maskinen kan jordes der. Det skal brukes tvinnede

signalkabler og hvis ikke kostnaden er for stor så brukes det også ferritt ringer for å prøve å dempe

støyen noe.

EM-kan være en stor utfordring og dette er et forsøk, ikke en garanti for å få kontroll på det. Dette er

langt utenfor mitt fagfelt som maskin ingeniør student.

29

3 Design, oppbygning, og løsninger

3.1 Generelt I denne delen diskuteres de generelle linjene for maskinen. Forklaring av hvordan beregningene vil

bli utført og hvordan resultatene vil bli presentert, og utfordringer ved maskinen blir blant annet

presentert her.

3.1.1 Modulær oppbygning Denne delen er basert på beslutninger tatt i kapittel 3.2 , 3.3.1, og 3.3.2 det kan derfor være et poeng

å lese gjennom dem hvis man føler at man har hoppet over noe når man leser dette kapittelet.

Maskinen skal være lett å demontere samtidig som den må fungere. Det ideelle hadde vært om en

enkelt person kunne sette den sammen og ta den fra hverandre. Det skal tilstrebes at hver enkelt

modul veier under 25 kg. Dette er vanskelig siden maskinen består av så store deler at den blir

uhamstelig. Det man kan gjøre noe med er å gjøre festene mellom modulene så enkle som mulig.

Etter Figur 17 er alle de mekaniske koblingene mellom modulene diskutert

Figur 17 Modul oversikt, hele maskinen

Skjærebord til x-aksen

Festet mellom bord og x-aksen er det mest tungvinte festet, og kanskje det viktigste. Dette er

«grunnmuren» til maskinen og hvis det blir skeivt her så blir hele resten av maskinen skeiv. Hvis

maskinen skulle stå fast montert, men måtte kunne demonteres så ville det være en fordel med et

feste som kunne justeres sånn at man ville kunne stille inn maskinen til å være helt parallell og i vater

hver eneste gang man monterte maskinen. Dette går ikke siden maskinen skal bli montert og

demontert kjapt og forhåpentligvis ofte. Da kan man ikke bruke flere timer på å kalibrere maskinen

hver gang. Festet til x-aksen må kunne plasseres på akkurat samme plass gang den monteres,

eventuelle justeringer vil kunne bli gjort med shims under de lineære føringene. Festet til

skjærebordet blir bestående av bolter og en splint på hvert feste. Splinten står fast i skjærebordet og

sørger for at maskinen havner i samme posisjon hver gang den monteres.

30

x-til y-aksen

Siden festet mellom skjærebordet og x-aksen involverer en del skruer så er det ønskelig at dette

festet blir så enkelt som mulig. Siden y-aksen beveger seg langs lineæreføringer og det bare er

reimen fra motoren som holder den fast blir det lettest at det er en skrue i festet til reimen som

løsnes for å demontere x- og y-aksen. Når reimen er løsnet kan y-aksen ganske enkelt bare sklis av

den lineære føringen.

z-aksen til verktøy modulen

Festet mellom z-aksen og verktøy modulen, i dette tilfellet i Figur 17 så er det plasmakutter festet,

setter krav til at det kan festes mange ulike typer verktøy der i fremtiden. Det er også viktig at

festemetoden er solid nok til at ikke verktøyfestet beveger seg i forhold til z-aksen da dette for

eksempel under fresing vil skape store feil i arbeidet til maskinen. Det velges en kombinasjon av

rørsplinter og bolter for å tilfredsstille kravene.

31

3.1.2 Senarioer for utregning og maskinposisjoner Maskinen vil bli utsatt for belastninger som vil variere med hvilken posisjon verktøyet har på

skjærebordet. For å avdekke svake punkt og danne et så komplett bilde som mulig over

deformasjonen i de forskjellige tilfellene så har maskinen blitt delt opp i forskjellige posisjoner. Ved

hjelp av en kombinasjon av disse posisjonene vil det dannes totalt 12 kombinasjoner å regne på. For

å begrense arbeidsmengden noe har de 8 kombinasjonene som forventes å ha høyest defleksjon blitt

valgt ut. For disse vil det bli identifisert og 8 av disse har blitt til relevante senarioer som blir

presentert.

Posisjoner for x-aksen

Figur 18 Maskinposisjoner for x-aksen, maskinen står i posisjon IV

I Figur 18 ser vi de fire posisjonene det regnes på. I over endefestet til venstre, II midt mellom ende

og midt festet, III over midt festet, og IV over høyre endefeste. Posisjon I, II, og III sier seg selv hvorfor

det er interessant å regne på. Posisjon IV er interessant å regne på siden når maskinen fungere som

fres så vil man få et moment om y-bjelken og da vil det resultere i en kraft på den utstikkende delen

av x-aksen til høyre i Figur 18. Siden det er en utstikkende bjelke så kan det hende at det vil resultere

i en større deformasjon.

Posisjoner for y-aksen

Figur 19 Maskinposisjoner for y-aksen

32

For y-aksen så er det tre posisjoner som er interessante. Posisjonene er for hvor z-rammen befinner

seg på y-aksen. V er høyre ende og VII er venstre ende i Figur 20. Siden høyre ende har et ekstra

utstikk på rammen som fører til at x-aksen på den siden må ta bære litt mer vekt enn venstre side,

derfor trenger man både posisjon V og VII for å få et riktig bilde, siden de blir forskjellige. VI er midt

på y-aksen.

Posisjoner for z-aksen

Figur 20 Maskinposisjoner for z-aksen, z-aksen står i posisjon X

For z-aksen så er de tre posisjonene X verktøy på samme høyde som skjærebordet, IX verktøy midt

mellom skjærebordet og y-rammen, og VII verktøy på høyde med y-rammen. Figur 20 presenterer

posisjonene visuelt.

Kombinasjoner

Relevant for matlab utregninger, bare Tabell 2 og at det bare regnes på z-aksen i posisjon X er

egentlig interessant for resten av oppgaven.

Siden kreftene som virker på for eksempel x-aksen er avhengige av hvor z-rammen står på y-rammen

så gis hver kombinasjon av x- og y-akse posisjon en bokstav. Dette gir 12 kombinasjoner, og hvis man

tar med de tre posisjonene til z-aksen så får man 36 forskjellige kombinasjoner. For enkelthetsskyld

så regnes det bare på z-aksen sin posisjon X, det er også da momentet om y-aksen vil være størst og

det er forventet at defleksjonen blir størst.

Tabell 2 Kombinasjoner basert på ulike maskinposisjoner på x og y aksen

I II III IV V a b c d VI e f g h

VII i j k l

33

Senarioer

For å forenkle utregningene enda mer så ble 8 av kombinasjonene i Tabell 2 valgt ut til å bli regnet

på. Kombinasjonene er a til h. Dette siden posisjon V på y-aksen er tyngre på x-rammen enn posisjon

VII pga. utstikket av y-rammen på V siden. Bare for å gjøre det litt mer komplisert så er senarioene

nummerert med tall der 1 = a, 2 = b osv. Figur 21 gir en oversikt over hvor verktøyet/z aksen står ved

de ulike senarioene.

Figur 21 Senarioer for verktøyposisjon, maskin sett ovenfra

3.1.3 Galvanisk korrosjon Maskinen består av flere forskjellige typer metaller. I all hovedsak er det snakk om aluminium og stål.

Det blir brukt aluminium i selve rammen, se kapittel 0, og som støtter til de lineære føringene, se

kapittel 3.4.1. Stål blir brukt i skruer og de lineære akslingene. Skjærebordet er også i stål. Det velges

stål skruer siden oppgaveskriver har erfaring med at skruer av aluminium i aluminium «gror fast»

over tid. Mellom jern og aluminium vil det dannes galvaniskspenning. Hvis det kommer vann imellom

så kan det føre til galvanisk korrosjon. I denne prosessen så vil det minst edle metallet, i denne

sammenhengen aluminium, oksidere vekk (Wikipedia contributors , 2014). Maskinen skal i

utgangspunktet ikke bli utsatt for vann. Elektronikken og skjærebordet er ikke designet for det. For å

være på den sikre siden så burde alle kontaktflater mellom aluminium og stål smøres med en form

for seigt syrefritt fett, eller annet dielektrikum. Dette for å hindre at vann kan trenge inn ved en

senere anledning.

34

3.2 Rammen Rammen er veldig viktig. Det er den tyngste delen av maskinen noe som er viktig med tanke på at

maskinen skal kunne tas fra hverandre. Rammen sin stivhet avgjør hvor stor belastning verktøyet kan

få før defleksjonen blir for stor. Den bestemmer også størrelsen på arbeidsområdet til maskinen.

Rammen må også ta hensyn til omgivelsene til maskinen. Hvordan skal arbeidsstykket, for denne

maskinen gjerne store tunge stålplater, plasseres på maskinen? Alt dette må det tas hensyn til. I

tillegg så må designet i sås stor grad som det er mulig tillate modifikasjon og utbyttbarhet i

fremtiden. En modul må kunne byttes ut med en nye en uten at hele maskinen trenger å designes på

nytt.

3.2.1 Overordnet design av rammen Det overordnede designet av rammen er viktig. Det må være så plass effektivt som muligsiden

universitetet ikke har ubegrenset med plass på verkstedet. Det må også helst være plasseffektivt når

det er demontert. Et viktig moment er at det må gi maskinen så stor arbeidsflate som mulig, og god

nok arbeidshøyde. Det aller viktigste er at det må være mulig å få arbeidsstykket inn i maskinen.

Dette blir fort utfordrende når arbeidsstykket er en hel stålplate på 2400x1500mm. Platen blir fort

tung når den blir tykk.

Arbeidsområdet

Et søk hos flere norske stålleverandører ble gjennomført for å finne ut hvor stor en standard stålplate

er. Det var et mål å kunne laste stålplater rett inn i maskinen fra leverandør for å gjøre kuttprosessen

mest mulig effektiv. Etter å ha søkt i blant annet Norsk Stål (Norsk Stål, u.d.) og Smith Stål (Smith Stål,

2011) sin katalog så ble det observert at platene varierte mellom 1000 til 1500mm i bredden, og

2000 til 3000mm i lengden. Skjærebordet i verkstedhallen er 1500mm bredt, så maskinen vil kunne

ta de bredeste stålplatene. Skjærebordet er ikke lengre enn 2020mm så hele plater større enn det vil

ikke få full støtte under. Det er i seg selv ikke et problem, men mangel av plass på verkstedet er det.

Som man kan se av Figur 22 så er det ikke så stor plass rundt Skjærebordet. Det må også tas hensyn

til feste mellom x- og y-aksen, se kapittel 0.

Figur 22 Røff, ikke skala oversikt over sveiseverkstedet

35

Det originale poenget med å kunne bygge maskinen om til en fres var for å kunne frese ut detaljerte

landskapsmodeller i styroform, isopor, eller tre materiale. Maskinen trenger derfor en viss

arbeidshøyde for å kunne bearbeide blokker med isopor eller styroform. Her settes det et krav om

minst 100mm arbeidshøyde valgt av oppgaveskriver.

På lastning av plater

Som Figur 22 viser så er det ikke så god plass langs kortsidene av skjærebordet. Derfor kan det bli

vanskelig å laste stålplater inn fra de sidene. Siden den ene langsiden står et stativ med stålplater så

er egentlig det beste alternativet den siste langsiden. Det er ikke traverskran på sveiseverkstedet,

men det er en større elefant som man kan bruke for å få lastet på platene.

Design forslag 1

Fordeler: Maskinen kan lett lastes fra langsiden som er lettest tilgjengelig. Maskinen kan opereres fra

langsiden som gjør at gangene på siden av maskinen ikke blir blokkert under bruk.

Bakdeler: x-aksen blir lang, over 2 meter, noe som gjør at det må ha et høyt treghetsmoment for å

unngå for stor defleksjon. x-aksen blir også veldig tung i forhold til z-aksene noe som ikke er bra med

hensyn på målet om at hver modul ikke skal veie mer enn 25kg.

Figur 23 Designforslag nr. 1 til venstre og nr. 2 til høyre. Sett fra nesten samme vinkel.

Design forslag 2

Fordeler: Kortere overhengende akse, y-aksen, som gjør delen lettere og minsker kravet til

treghetsmomentet. Det går an å laste stålplater på maskinen fra langsiden. Dette lar seg gjøre hvis y-

aksen flyttes helt over i andre enden, og stålplatene løftes over x-aksen ved bruk av elefant.

Bakdeler: x-aksen stikker bare ut på den ene siden noe som gjør at det blir trangere å passere

maskinen på den siden.

Konklusjon

Design nr. 2 velges. Løsningen tillater å laste plater som er lengre enn 2000mm i maskinen. Dette

siden det ikke er noen hindringer på kortsidene til maskinen utenom passeringveiene. Det vil være en

stor fordel siden noen plater kanskje bare blir levert i størrelser lengre enn 2000mm. Da slipper man

å manuelt kappe dem før bruk. Løsningen tillater, selv om den er noe mer strabasiøs enn nr.1, å laste

stålplatene inn i maskinen med elefant. Den korte y-aksen som gir redusert vekt og krav til dimensjon

på rammen er en også et viktig moment. Festene mellom skjærebord og x-aksen blir montert 50mm

lengre ned en selve bordflaten. Dette for å skjerme dem for skjærebrenneren.

36

3.2.2 Valg av materiale til ramme Rammen til maskinen er den tyngste delen av maskinen og det er her man kan spare mest vekt. Det

er viktig å lage maskinen lett hvis den skal kunne oppfylle kravet med å være lett å montere og

demontere. Det er derfor ønskelig med et stivt, men lett materiale til konstruksjon av rammen.

Teori

I tekniske term så vil det si et materiale med høy E-modul som mulig, men samtidig så lav tetthet «ρ»

som mulig. Jo høyere verdi følgende utrykk gir, jo bedre egnet er det rent mekanisk.

[

] ⁄

Ved å sammenligne noen forskjellige materialer så kan man finne gode kandidater for materialet til

rammen. I og med at det finnes en rekke ulike legeringer av stål, aluminium, osv. og disse

legeringene har litt ulik tetthet så tallene blir ikke helt nøyaktige.

Tabell 3 Sammenligning av ulike materialers E- modul og tetthet kilder: (engineeringtoolbox.com, u.d.), (engineeringtoolbox.com, u.d.)

Materiale Aluminium Stål Nylon Messing ABS Titan

⁄ 25.56 26.25 3.57 14.74 2.93 26.67

Kompositt

Komposittmaterialer som for eksempel karbon og glassfiber er ikke tatt med i vurderingen i Feil! Fant

ikke referansekilden.. Dette siden materialdata varierer mye, og det er dyrt og vanskelig å få det til å

bli helt nøyaktig noe som er viktig når man bruker det til en CNC-produksjons maskin. Det er også

vanskelig å for eksempel skulle borre et hull i en karbonfiber profil uten å ødelegge den hvis man ikke

vet hva man gjør, og da er det dumt å bruke det hvis man vil at andre skal arbeide videre på

maskinen senere og ha mulighet til å forandre på den.

Økonomi

Feil! Fant ikke referansekilden. viser at stål, aluminium, og titan har de høyeste og dermed også de

beste verdiene. Titan er dyrt og ikke så lett tilgjengelig, så det er ikke et alternativ denne gang. Dette

siden det er for liten forskjell på titan, og stål og aluminium til å kunne rettferdiggjøre den økte

kostnaden. Da står aluminium og stål igjen som kandidater.

Produksjon

Stål er veldig greit å arbeide med både med bearbeiding og sveising. Aluminium er litt mer følsomt da

det stiller større krav til renslighet ved sveising, og årvåkenhet under bearbeiding. Stål er definitivt et

førstevalg når det kommer til produksjon av maskinen, men det er ikke så mye vanskeligere å arbeide

med aluminium.

Krav til høyde på y-aksen

Det er et poeng at de lineæreføringene på y-aksen står så langt fra hverandre som mulig sånn at de

får lengst mulig arm til å motstå et moment påført maskinen når den brukes som fres. Se for deg at

du har en sveiv koblet på en trommel. Du står å holder på kanten av trommelen og noen prøver å dra

sveiven rundt. Jo større trommelen er, jo lettere er det for deg å holde den i ro siden du får større

arm om omdreiningsaksen. På maskinen så er hendene som holder på trommelen de lineæreføring-

37

blokkene og sveiven er freseverktøyet. Kraften som virker på fresen når den skjærer er personen som

prøver å dra sveiven rundt.

Krav til vekt

En avstand mellom de lineæreføringene på y-aksen på ca. 300mm er ønskelig for å få en god nok arm

og plass på z-vognen til å kunne videreutvikle maskinen senere. Det tas utgangspunkt i at man bygger

rammen med rektangulære hulprofiler. Ved en kombinasjon av to profiler som settes oppå

hverandre på høykant kan man bygge en høy og lett bjelke. Det tas utgangspunkt i profiler med en

høyde på 150mm for å få en bjelke med en høyde på 300mm. Hvis det skal brukes stål (B2BMETAL,

u.d.) så blir maskinen veldig tung. Aluminium (Ruukki Norge As, 2014) gir en maskin som veier nesten

halvparten så mye. Dette har en sammenheng med Vekten er viktig siden maskinen skal demonteres

og det ikke er traverskran på sveiseverkstedet.

Konklusjon

Rektangulære hulprofiler av aluminium er det best egnede materialet til rammen på maskinen. Det

viktigste argumentet er kravet om vekt der det vil være mye å spare i forhold til stål.

3.2.3 Valg av profil dimensjon til rammen Det ble gjort innledende utregninger med noen satte krav for å kunne velge dimensjonene på

hulprofilene. Belastningene her ble satt med god sikkerhetsmargin for å kunne gå til innkjøp av

materialer sånn at konstruksjonen av maskinen kunne komme i gang før de mer tidkrevende

matematiske modellene var klare. For å velge hvilken dimensjon den rektangulære hullprofilen måtte

ha, ble Matlabskriptet Ramme_valg.m brukt, se vedlegg 1

Resultatet ble at 150x100x5 rektangulære hulprofiler ble valgt.

38

3.2.4 y-vogn, z-aksen, og verktøyfestet

Rammer, begrensninger, og hensyn

Verktøyet som monteres på maskinen må kunne bevege seg opp og ned over hele avstanden mellom

y-rammen og skjærebordet (145 mm). Pga. at valg av innkjøp av lineære føringer gjør at man får

lengder på 540mm til z-aksen, se kapittel 3.3.1. Z-platen blir 300mm høy og 311mm bred siden den

da plasserer de lineære føringene nesten kvadratisk. Det er da ikke egentlig nødvendig med mer enn

300+145=445mm med lineære føringer til z-aksen for å kunne bevege verktøyet i hele området

mellom skjærebordet og y-rammen. Vektøkningen med å beholde de ekstra 95mm med lineære

føringer og øke y-vognen sin høyde sånn at den passer er derimot minimale. Muligheten for å kunne

bygge om maskinen til å ha større arbeidshøyde gjør at det velges å beholde dem i full lengde,

540mm. Y-vognen, se Figur 24, blir derfor like høy sånn at den gir støtte for de lineæreføringene hele

veien. Man slipper også å lage en ny plate senere hvis man øker maskinen sin arbeidshøyde.

Bredden på platen blir 300mm for å få tilnærmet like stor avstand mellom de lineære føringene som

på y-rammen og for å gi stor plass til montering av verktøyfester av ulike utforminger.

Posisjonen til hullene som boltene og splintene skal stå i for å feste z-platen og verktøyfestet

sammen bestemmes under produksjonen av maskinen.

Figur 24 Eksplodert visning av y-vogn og z-akse

39

Figur 25 Reaksjonskrefter og modell av z-aksen og y-vognen i maskinposisjon VIII

40

Figur 26 Reaksjonskrefter og modell av z-aksen og y-vognen i maskinposisjon X

Teori

Figur 25 og Figur 26 viser z-aksen og y-vognene med en kraft på verktøyet og reaksjonskreftene som

virker på de lineæreføringene/støttene. I posisjon VIII, Figur 25, vil z-aksen, verktøyfestet og y-

vognen bøye seg, men siden all kraften havner på feste d som igjen er den lineære føringen som er

nærmest x-rammen på maskinen, så vil det ikke bli et moment om y-rammen og den vil ikke vri seg. I

posisjon X vil bare den utstikkende delen av verktøyfestet være interessant i forhold til defleksjon,

men det vil bli et moment om y-rammen så den vil vri seg. Spørsmålet er hvilket tilfelle som vil gi

størst defleksjon siden det ikke er tid til å regne på alle posisjoner. Det velges å regne på posisjon X.

41

Beregninger

Figur 27 Illustrasjon akser verktøyfeste

I Figur 24 ser vi at verktøyfestet har en tynn del som stikker ut, der skal verktøyet være i kontakt med

arbeidsstykket. Siden geometrien er så ulik på denne delen i forhold til resten av verktøyfestet er det

fornuftig å anta at også treghetsmomentet her er forskjellig. Da blir modellen mer avansert med en

gang så hvis vi kan forenkle den er det praktisk. Siden formelen for treghetsmomentet av et

rektangel ser ut som:

Belastning i x-retning, om y-aksen

Siden høyden, h, opphøyes i tredje så undersøkes det hvor mye selve platen bidrar til

treghetsmomentet på den utstikkende delen og resten av platen.

Avstiverne bidrar med:

Avstiverne bidrar nesten 22 ganger mer til stivheten enn platen på hoveddelen og 102 ganger mer på

den utstikkende delen. Derfor neglisjeres platen i beregningene om y-aksen og forenkler modellen

som vist i Figur 28

Figur 28 Forenkling av verktøyfeste

42

Siden modellen i Figur 26 ennå gjelder så blir formlene for defleksjon som vist i Figur 29 og Figur 30.

Det er som er interessant siden det er defleksjonen av verktøyet og gir utrykket for hvor stor den

er på verktøyet, . Siden er kjent så får vi følgende utrykk for defleksjonen i x-retning

( )

Figur 29 Utledning av formler for defleksjon, del1

43

Figur 30 Utledning av formler for defleksjon, del2

Belastning y-retning, om x-aksen

For belastninger om x-aksen, se Figur 27, så gjøres samme forsøk på forenkling som for belastning i x-

retning. Her vil ikke avstiverne bidra så mye, men det er ønskelig å forsøke å forenkle enda mer.

Målet blir å kunne se på den utstikkende biten som om den var montert fast i et stivt legeme, se Feil!

Fant ikke referansekilden.. Om x-aksen får vi følgende treghetsmomenter:

Siden er 37 ganger større enn så ignoreres avstiver bidraget. er

102 ganger større enn pga. dette så blir kan modellen forenkles som vist i Figur 31. Formel

for defleksjon blir utledet i Figur 32.

44

Figur 31 Forenkling verktøyfestet belastning i y-retning

Figur 32 Utledning av formel for defleksjon for utstikkende del av verktøyfestet under belastning i y-retning

45

Siden er kjent så blir formelen som følgende:

Defleksjon i z-retning

Defleksjon i z-retning blir kompresjon av verktøyfestet så + bidraget fra defleksjonen i x- og y-retning.

Siden dette blir svært lite så regnes det ikke på det.

Oppsummering

y-vognen lages i dimensjonene 540x300x8 mm for å kunne gi støtte til den ekstra lengden på de

lineære føringene selv om den ekstra lengden ikke blir utnyttet av maskinen på nåværende

tidspunkt. Hull i verktøyfestet og z-platen for å feste disse sammen blir plassert under produksjonen

av maskinen. For beregninger på defleksjon så blir det følgende formler i de forskjellige retningene:

Det regnes ikke på defleksjon i z-retning siden det er antatt å bli ubetydelig liten på denne delen.

46

3.2.5 y-aksen

Figur 33 y-rammen med lineære føringer montert

y-rammen består av to 150x100x5mm profiler som står på høykant oppå hverandre og er sveist

sammen langs kantene. Den korte profilen er 1900mm lang og den lengste 2400mm. Utstikket som

vises i Figur 33 er der for å kunne montere kabel kjede til kablene til z-aksen, se kapittel 0

Rammer, begrensninger, og hensyn

Rammen skal ha y-vognen gående frem og tilbake på seg og den skal strekke seg over hele

skjærebordet + litt til. Skjærebordet er 1500mm bredt, og for å ta høyde for irregulære plater,

former, store verktøy, osv. så legges det på 50mm på hver ende som resulterer i 1600mm. y-vognen

er 300mm bred og midt på den er verktøyet sentrert. Hvis man betrakter verktøyet som uendelig

smalt så betyr at det er nødvendig med 150mm ekstra på hver side for å kunne bevege verktøyet fra

y = 0 til y = 1600mm. Y-rammen må da være minst 1900mm lang.

Det er oppgaveskriver som skal sveise rammen sammen og siden det kan bli varierende kvalitet på

selve sveisen så er det tryggest å modellere rammen som to profiler og ikke som en.

Treghetsmomentet blir altså 2 x treghetsmomentet til en av aluminiumprofilene.

Siden y-rammen er montert på fester som igjen er montert på lineære føringer så kan festene regnes

som pin fester siden de lineæreblokkene kan rotere om aksen på de lineæreføringene.

Det er verktøyet sin defleksjon relativt til skjærebordet vi er interessert i. Når verktøyet står i posisjon

VII og V så er avstanden så liten til festene at defleksjonen kan neglisjeres. Derfor blir det bare regnet

på når verktøyet står i posisjon VI. Siden det er en viss avstand mellom festene vil det bli regnet på

ren defleksjon i x- og z-retning, og rotasjon om y-aksen som følge av belastning på verktøyfestet i z og

x-retning som vil bidra til at verktøyet flytter seg i både x- og z-retning. Belastning i y-retning vil ikke

gi stor deformasjon siden den blir ren kompresjon av rammen. Derfor regnes det ikke på den.

Figur 34 Matematisk modell av y-aksen med maskinposisjoner markert

47

Beregninger

Belastning i x-retning

Figur 35 matematisk modell av y-aksen sett fra x-z-planet med kreftene og momentet som virker. F er kraften fra arbeidsstykket som virker på verktøyet

Pga. y-rammen sin støtte/feste til de lineære føringene på x-rammen som er kontinuerlige så kan

rammen modelleres slik som vist i Figur 35. Her er også reaksjonskreftene fra verktøyfestet når de

blir belastet tatt med, se Figur 26. I tillegg så beveger maskinen seg frem og tilbake mens den

arbeider og da kommer det en akselerasjon inn i bilde som med massen til y-vognen og det som er

festet på den gir en kraft som virker på bjelken.

er den største kraften så det er den det regnes på. Siden sveisekvaliteten kan være dårlig regnes

det på verst mulig senario, at den nederste profilen må ta all belastningen selv. Dermed regnes

treghetsmomentet fra en bjelke.

For utregning av defleksjon pga. nedbøyning av rammen er det brukt en formel fra side 70-71 (Lemu,

2013). Se Figur 36

48

Figur 36 Nedbøyning av y-rammen og formel for maks defleksjon kilde formel (Lemu, 2013)

Vi kjenner da blir formelen for defleksjonen:

Belastning i z-retning

Belastningen i z-retning er verktøykraften og vekten av y-vognen og det som er festet på den,

representert ved . Beregningen av defleksjon er lik den for belastning i x-retning, men

treghetsmomentet og kraften byttes ut. Treghetsmomentet regnes som treghetsmomentet til en

aluminiumprofil ganger 2 side sveisekvaliteten ikke nødvendigvis er bra. Dermed blir formelen for

defleksjonen:

49

Moment om y-aksen

Om aksen virker det også et moment pga. kraften som fungerer på verktøyfestet, se kapittel 3.2.4.

For vridning av rammen om y-aksen, pga. momentet, så regnes hele rammens høye, begge profilene

sveis sammen til et stykke når man skal regne ut det polare treghetsmomentet.

For utregning av defleksjonen pga. y-rammen sin vridning så brukes det formel funnet på side 229 i

(R.C.Hibbeler, 2011) Se Figur 37

Vridningen om y-aksen er det litt mer komplisert en de foregående utregningene da man først må

regne ut vinkelen, , til vridningen. Når man har så må man finne ut avstanden fra

senter/aksen det dreies om, og ut til verktøyet. Så må man finne vinkelen mellom og x-aksen.

Modellen tar bare hensyn til momentet om y-rammen og da forblir konstant etter at aksen har vrid

seg. Vinkelen mellom og x-aksen forandrer seg når aksen vris og ved å bruke til den nye

vinkelen multiplisert med får man de nye posisjonene i x, og z-retning. Trekker man da fra

originalposisjonen så har man defleksjonen pga. vridning. Se Figur 37 og for modeller og formler.

Figur 37 Formler og modeller relevant for utregning av defleksjon pga. vridning av y-aksen kilder: (R.C.Hibbeler, 2011) (www.engineeringtoolbox.com, u.d.)

De endelige utrykkene for defleksjon pga. vridning ser da sånn ut:

( ( ) ( ))

( ( ) ( ))

Momentet er gitt med verst tenkelig verktøybelastning. Her virker det en kraft nedover på

verktøyet noe som gir et lite trolig senario, men mulig. Det velges at kraften i z-retning skal fungere

nedover i modellen siden kraften da vil bidra til å øke momentet og ikke minske det. Se Figur 38.

50

Figur 38 Illustrasjon av momentet om y-aksen

Oppsumering

y-rammen består av to 150x100x5 aluminiumprofiler som er sveist oppå hverandre på høykant. Den

øverste profilen stikker ut til den ene siden sånn at det kan monteres kabelkjede på den. Rammen

må være 1900mm lang for at verktøyet skal kunne bevege seg over hele skjærebordet. Siden

sveisene er litt relative så regnes profilene som ikke sveist sammen under beregning av defleksjon

pga. kraft i x og z-retning.

Formlene for de enkelte defleksjonene ble som følger:

Kraft i x-retning:

Kraft i z-retning

Moment om y-aksen

( ( ) ( ))

( ( ) ( ))

Det regnes ikke på belastning i y-retning da dette vil gi svært lite defleksjon siden det blir ren

kompresjon.

51

3.2.6 x-aksen

Figur 39 x-aksen

Rammer, begrensninger, og hensyn

x-rammen er festet i skjærebordet med tre fester, se Figur 39, og de regnes som faste punkt.

Maskinen trenger et arbeidsområde på x-aksen på minst 2000mm. I tillegg så må festet mellom x- og

y-aksen få støtte, og avstanden i x-retning mellom y-aksen og verktøyet må også tas med. Se Figur 40

for forklaring. Festet krever 300mm og det må det tas hensyn til. x-aksen må være 2300mm lang for

å kunne oppnå 2000mm med bevegelse. Verktøyet krever 166mm i følge Figur 40, for å treffe kanten

av skjærebordet når y-aksen kjøres helt til høyre, x = 0. Det er derimot ikke nødvendig med hele

166mm. Plasmakutteren som er det verktøyet som trenger hele skjærebordet er ikke avhengig av å

stor høyde i z-retning. Derfor kan verktøyet monteres sånn at det stikker inn under z-aksen og y-

vognen. Da holder det med 100mm. x-aksen må derfor være 2400mm lang, og x-rammen blir derfor

så lang.

Figur 40 Oversikt over hvor mye festet mellom x- og y-aksen og avstanden til verktøyfestet bygger ut i lengen av x-aksen

Det regnes på defleksjon i y-retning for alle maskinposisjonene, se Figur 41. For posisjon I og III

regnes det ikke på defleksjon i z-retning. Dette siden det da regnes at maskinen sår rett oppå festet

og defleksjonen kan da neglisjeres. Figur 40 viser hvordan maskinen står når den er i posisjon III. Det

regnes ikke på defleksjon i x-retning.

52

Beregninger

Figur 41Matematisk modell av x-rammen med maskinposisjoner markert.

Defleksjon i y-retning

Det er to forskjellige defleksjoner som skal beregnes for x-rammen. Den ene er bare gjeldende i

posisjon II. Det er den «vanlige» defleksjonen som har blitt beregnet for andre deler av maskinen, se

forklaring lengre nede i teksten. Den andre er at x-rammen sett i yz-planet får en defleksjon fra

toppen av profilen til bunnen. Se Figur 42.

Figur 42 x-rammen sett fra yz-planet, med kraftens angrepspunkt plassert oppe på den lineæreføringen på toppen av x-rammen

Kraften P er lik halvparten av kraften som virker på skjæreverktøyet og kraften som går med for å

akselerere y-vognen og det som er festet på den.

Rammens dimensjoner er kjent. De horisontale delene oppe og nede på profilen regnes som stive

legemer. Da er det bare de vertikale delene igjen til å regne treghetsmomentet av, og

treghetsmomentet blir da som følger:

53

Angrepspunktet for kraften P er 22,5mm over x-rammen. Defleksjonen blir da som følger:

( )

( ( ) )

For posisjon II får man samme matematiske modell som vist i Figur 36. For aluminiumprofilen så er b

= 150, h = 100, t = 5m og treghetsmomentet blir:

( )( )

L = 960 mm og defleksjonen blir da:

Defleksjon i z-retning

For posisjon II så blir defleksjonen i z-retning regnet på samme måte som for defleksjon i y-retning.

Kraften som virker er halvparten av kraften som virker på skjæreverktøyet og vekten av y-rammen og

alt som er montert på den.

Treghetsmomentet blir annerledes bår b = 100, h = 100, og t = 5:

( )( )

Defleksjonen blir da:

Defleksjon i x- og z-retning

y-aksen står i posisjon IV så vil belastning i x-retning på verktøyet skape et moment som vil påføre en

kraft på den utstikkende delen av x-rammen, se Figur 43.

Da får man et tilfelle av modellen vist i Figur 29 og Figur 30. Dette gjør at man kan ta formelen for

defleksjon derfra. Armen til kraften i Figur 43 er 145mm, og treghetsmomentet er ennå

. Utrykket for kraften blir:

For defleksjonen av angrepspunktet til kraften P blir formelen, og :

54

Figur 43 y-aksen i posisjon IV

Siden y-aksen her står rett oppå en støtte så blir det ikke defleksjon i x-aksen til slutt, men defleksjon

i x-retning. Se stiplede sorte linjer i Figur 43. Nøyaktig verktøyposisjon i den ferdige maskinen er ikke

bestemt ennå, derfor regnes det på verst mulige alternativ. Fra Figur 40 vet vi at avstanden fra y-

rammen ut til ytterkanten av verktøyholderen er 166mm i x-retning. Avstanden i z-retning er 145mm.

Da blir defleksjonen i x retning:

( ( (

)) ( ))

( ( (

)) ( ))

Oppsummering

Maskinen får følgende defleksjoner når den blir belastet med en kraft i.

y-retning

og

z-retning

x-retning:

( ( (

)) ( ))

( ( (

)) ( ))

P er gitt med formelen under Beregninger på de foregående sidene.

55

3.2.7 Endefeste x-akse til skjærebord

Figur 44 Endefeste x-akse til skjærebordet

Rammer, begrensninger, og hensyn

Endefestet blir sveist på x-rammen, og skrus fast i skjærebordet. Det regnes at delen ikke deformeres

i y-retning siden det blir ren kompresjon eller tøyning(avhengig av hvilken side på bordet det er.)

Belastning i x-retning fordeles over alle festene, også midt festet. Beregningen av formelen for

defleksjonen i x-retning gjøres i dette delkapittelet. I z-retning så gjøres det beregninger for maskinen

i posisjon I og II.

Beregninger

Belastning i x-retning

Belastningen i x-retning kommer av kraften som virker på skjæreverktøyet og akselerasjonen av y-

rammen og alt som er montert på den. Den blir fordelt over to x-akser. På hver x-akse er det 2

endefester og et midtfeste. Kraften på hver x-akse(i realiteten på hver motor), blir da:

Avstanden mellom x-aksen og skjærebordet er 50mm i y-retning, se Figur 45. Derfor blir det lengden

av aksen. Den får arbeide over. Siden treghetsmomentet her varierer med avstanden fra

skjærebordet siden høyden av profilen varierer ved den, så blir defleksjonen regnet ut ved en

numerisk tilnærming. Avstanden mellom Skjærebordet og x-aksen deles opp i små biter og det

regnes ut defleksjonen for hver av disse små bitene med sitt treghetsmoment.

∑ (

( )

( )

( ) ( ( ))

( ( ) )

)

For en forklaring av prinsippet se neste side.

56

Figur 45 Avstand mellom skjærebord og x-akse

Belastning i z-retning

Delen er komplisert å regne på siden treghetsmomentet varierer pga. av at høyden varierer, se Figur

44. For å regne ut defleksjonen så bruker man derfor en numerisk tilnærming. En numerisk

tilnærming går ut på å finne en måte å løse et problem som man ikke har en ordentlig nøyaktig

løsning på ved å bryte problemet ned å finne en tilnærmet korrekt løsning. Numerisk integrasjon er

en form for numerisk tilnærming. Problemet med denne delen er et godt utgangspunkt for å forklare

hvordan dette fungerer.

Det regnes at festet sitter fast i skjærebordet som igjen regnes som et stivt legeme. Pga. dette så er

det følgende to formler for defleksjon som er interessante:

( )

Det konkrete problemet er: Høyden varierer, derfor varierer treghetsmomentet. Formelen er bare

utledet for et konstant treghetsmoment.

Først av alt så forenkles den fysiske modellen som vist i Figur 46.

Figur 46 Forenkling av den fysiske modellen

Den fysiske modellen er nå to plater som har en høyde som har funksjonen:

57

Man kan dele opp festet i to deler. Så lar man høyden av hver del være snittet av høyden for den

delen. Se Figur 47.

Figur 47 Numerisk tilnærming av høyden til endefestet

Hvis man regner ut defleksjonen for hver del så får man en tilnærming av defleksjonen. Denne

tilnærmingen vil avvike en del fra den egentlige verdien. For å få en bedre tilnærming så deler man

delen opp i flere deler. Jo finere man deler den opp jo bedre tilnærming får man, men jo flere deler

blir det å regne på. En slik tilnærming vil etter hvert konvergere. Det betyr i praksis at du når en

grense der det ikke utgjør nevneverdig forskjell å dele delen opp i mindre deler. Dette er det viktig å

være klar over når man utarbeider matematiske modeller for bruk i datamaskiner. Det er lett for en

nybegynner å tenke at her er det bare å pøse på med finest mulig oppløsning av alt når man skal

gjøre utregninger. Problemet blir når det er store programmer som skal kjøres, som for eksempel

hovedskriptet for utregninger knuttet til denne rapporten. Det å finne når rekken konvergerer er

derfor viktig. I dette tilfellet så settes grensen til 2.5%. Det betyr at når det er 2.5% endring mellom

denne oppløsningen og den forrige så godtas det som godt nok. Dette oppnås ved 40 deler, se Figur

48. Det gir en størrelse på hver del på 150/40 = 3.75 mm.

Figur 48 Konvergeringskurve fra matlabskriptet konvergering. Regnet ut for endefestets defleksjon

58

Matematisk så ser formelen for defleksjonen ut som dette:

∑

( ( )

( )

( ) ( ( ))

( ( ) )

)

I Matlab så blir koden som dette:

I Matlab koden så regner man ut den inverse av «fjærstivheten» ( ) til endefestet. .

Dette siden kraften som virker på festet varierer alt etter hvordan maskinposisjonen er. Det er nå

bare å multiplisere med rett kraft for å få defleksjonen på de ulike posisjonene.

Tilbake til regnestykket i oppgaven så får det også ulik belastning alt etter maskinposisjonen. Det er

interessant å regne på posisjon I, II, og IV, hvor I og IV er like.

For posisjon I og IV så tar det enkelte festet hele belastningen, men det er et feste på hver side.

For posisjon II så deler endefestet og midtfestet på belastningen:

%% Ende fester bord

% Regner ut stivheten sånn at jeg bare kan multiplisere med kraften for å % få defleksjonen. Bruker en numerisk tilnærming se mer informasjon i % bachelor oppgaven under:

ress=1; % oppløsning x = (1:3.75:100); y = 150-tand(40)*(x-ress/2); L=150; t = 5; %mm a = 1/(E.alu*t); stivhet=[]; for i = 1:length(x) if i == 1 stivhet(i) = a*(x(i))^2*(3*L-x(i))/((y(i))^3); else stivhet(i)= stivhet(i-1)+a*([(x(i))^2*(3*L-x(i))]-[(x(i-1))^2*(3*L-x(i-1))])/y(i)^3; end

end %Henter ut den siste verdien Stivhet.feste_bord_ende = max(stivhet); clear stivhet % Multipliserer med kraften for å få ut defleksjonen i de gitte senarioene

Utdrag 1 Utdrag av Matlab filen Defleksjon.m Viser hvordan den totale «fjærstivheten» til endefestet regnes ut

59

Oppsummering

Endefestet er en ekkel del å regne på siden den har en varierende høyde og derfor også et varierende

treghetsmoment. Dette skaper kluss når man prøver å bruke vanlige formler for defleksjon til

beregningene. Løsningen er å bruke numerisk tilnærming, numerisk integrasjon. Da blir det mulig å

komme frem til følgende formler for defleksjon:

Ved belastning i x-retning av størrelsen:

Så blir defleksjonen i x-retning for alle festene i alle maskinposisjonene for x-aksen:

∑ (

( )

( )

( ) ( ( ))

( ( ) )

)

Dette er for både endefestene og midt festene. For å unngå repetisjon så settes bare den ferdige

formelen inn i kapittelet om midtfestet.

For z-retning er formelen for defleksjon av endefestet:

∑

( ( )

( )

( ) ( ( ))

( ( ) )

)

Hvor lasten er henholdsvis:

og

alt etter posisjonen til y-aksen.

Utrykkene for defleksjon er kompliserte å regne ut for hånd, men lar seg lett regne ut ved hjelp av

datamaskin.

60

3.2.8 Midtfeste x-akse til skjærebord

Figur 49 Midtfestet

Midtfestet er kanskje den enkleste delen på hele maskinen.

Den består av en 80mm lang avkappet del av 150x100x5 aluminiumprofil som resten av rammen er

lagd av. Det er i tillegg boret 4 hull i den, 3 til bolter og 1 til en splint. Grunnen til at den er

annerledes enn endefestene er at den skal festes på kanten til skjærebordet. Kanten er bare 80mm

høy. Endefestene står ovenfor beina til skjærebordet og får støtte utover selve kanten ved at de

festes til beina også, dette er ikke mulig for midtfestet. Grunnen til at høyden er 80mm er at hvis det

blir aktuelt å flytte festene opp sånn at de er på samme høyde med bordflaten til skjærebordet, så

kan de dra nytte av hele høyden til kanten på bordet.

Av beregninger så er det belastning i x-retning som regnet ut i det foregående kapittelet, og

belastning i z-retning. Det er maskinposisjon II og III som er interessante med tanke på z-retning.

Beregninger

Belastning i x-retning

Uttrykk forklart i kapittel 3.2.7 Endefeste x-akse til skjærebord:

Ved belastning i x-retning av størrelsen:

Så blir defleksjonen i x-retning for alle festene i alle maskinposisjonene for x-aksen:

∑ (

( )

( )

( ) ( ( ))

( ( ) )

)

61

Belastning i z-retning

For belastning i z-retning så blir formelen for defleksjon:

L = 100 og lasten er i de to tilfellene II og III gitt ved formlene:

og

F står for kraften som virker på skjæreverktøyet, g er gravitasjonen, 9.81, og er massen til

y-rammen og det som er montert på den.

Oppsummering

Midtfestet er en relativt enkel og grei del sett i forhold til de andre delene på maskinen. Formlene for

defleksjon med tilhørende krefter er som følger:

Defleksjon i x-retning:

∑ (

( )

( )

( ) ( ( ))

( ( ) )

)

Defleksjon i z-retning:

L = 100 og lasten er i de to tilfellene II og III gitt ved formlene:

og

62

3.2.9 Feste x-akse til y-akse

Dette festet forbinder y-rammen med de lineære blokkene som går på de lineære føringene på x-

rammen. Det består av to stykk aluminiumprofiler som er sveist oppå hverandre. y-rammen vil bli

sveist på der som aksene nå vises, og de lineære blokken skrus fast gjennom hullene i bunn av platen.

Det er tenkt gjennom at y-rammen vil komme oppå hullene. Planen er at hullene borres videre

gjennom den nederste veggen i y-rammen. Så stikker man hånden inn i y-rammen sin nederste profil

som vil ha en åpning på 14x90mm, for å skru fast den lineære blokken. Det skal brukes skruer med

innvendig umbrakospor. Da vil det være lettere å skru de fast med en umbrakonøkken hvis man ikke

har en skralle tilgjengelig.

Utformingen er valgt siden den er enkel å produsere og det er store flater å feste instrumenter på i

ettertid.

Festet regnes som et stivt legeme så det regnes ikke på defleksjon. Dette siden defleksjonen vil

komme som kompresjon eller strekk. Den antas å være så liten at det velges å ikke regne på den.

63

3.4 Lineære føringer og bevegelse Dette er en presisjons maskin, selv om presisjons kravet ikke nødvendigvis er så stort, ±0.5mm. Det

hjelper lite om rammen til maskinen er aldri så stiv. Ikke en gang om den er å stiv at maskinen ikke vil

bøye seg mer enn en nanometer med ett tonn belastning på skjæreverktøyet. Dette hjelper ingenting

hvis de lineære føringene til maskinen får den til å danse bortover som et skateboard på vei over en

ferist. Det hjelper heller ikke om maskinen ikke beveger seg jevnere enn som er i ferd med å ta

lappen og ennå ikke helt har lært hvordan kløtsjen fungerer. Poenget er at det ikke er likegyldig hva

som sørger for bevegelsen til maskinen, og hvordan bevegelsen er lagret opp. Derfor er dette kapitlet

viktig.

3.4.1 Lineære føringer Lineære føringer er ofte litt som jernbaneskinnene til et tog. De holder maskinen på plass, men har

støtte under siden de ikke er stive nok til å bære hele maskinen selv. Det finnes en rekke løsninger i

ulike både pris og funksjonsklasse. Noen er spesialisert for støvete omgivelser, noen for varme

omgivelser. Noen kan ta store belastninger, men bare fra en retning, mens noen kan ta belastninger i

alle retninger.

For denne maskinen ble det vurdert en rekke alternativer. Det ble ikke satt et veldig stort krav til

nøyaktighet. En presisjon på 0.05mm ble regnet for godt nok. Løsningen burde takle støv over tid

siden det slipes en del med vinkelsliper på sveiseverkstedet. Det må være rom for å finjustere

løsningen siden det er sannsynlig at den blir utsatt for slag under montering og lagring. Løsningen må

også tåle belastningene maskinen blir utsatt for. Derfor settes 500N som et krav til belastning.

Løsningen kan heller ikke koste for mye.

Det ble vurdert tre forskjellige løsninger som blir presentert her.

Løsning 1 Presisjonsslipte stålakslinger

Presisjonsslipte centerless stålakslinger med støtte, som det går kulebøssinger på. Den

presisjonsslipte herdede stålakslingen er festet til aluminiumstøtten med skruer, se Figur 50. På

kanten av profilen er det også hull som brukes til å feste den på rammen. På akslingen går det en

kulebøssing som står i en aluminiumsblokk. Blokken festes ved skruer til dem man ønsker å ha

gående på den lineære føringen.

Denne løsningen har oppgaveskriver positive erfaring med fra tidligere. Den er middels solid, lett

tilgjengelig med reservedeler osv., mye brukt, men liker ikke støv så godt. Støv problemet kan løses

med å bruke glidebøssinger i stedet for kulebøssinger siden problemet i all hovedsak er at det samler

seg støv mellom kulene og at de går i stykker pga. det. Lagrene koster ikke mer enn ca. 20 kroner per

sett heller, så hvis man må bytt en gang i året så koster det 20kr*12 = 240kr ( yibiaoxin1982,

ebay.com selger, u.d.). Denne løsningen havner på ca. 5000kr inkl. frakt.

Fordeler: Billig i anskaffelse, mange leverandører, billige slitedeler, kan lett justeres ved bruk av

shims og de mange skruene den er festet med. Blokkene kan også rotere litt om akslingen sånn at

monteringsvinkelen ikke er så viktig for slitasjen på føringen.

Bakdel: Løsningen bygger mye i høyden noe som passer dårlig hvis det er ønskelig med et kompakt

design. Den er også utsatt for støv noe som kan føre til havari.

64

Figur 50 Til venstre undersiden av støtten, til høyre den lineære føringen montert på x-rammen

Løsning 2 Kuleskinner

I likhet med løsning en er det en vogn med en kulebøssing som går på en skinne, men denne gangen

er skinnen ikke en rund aksling, men ser mer ut som en togskinne. Den har de samme utfordringene i

forhold til støv som løsning nr.1. De store forskjellene fra løsning nr.1 er at de bygger mindre i

høyden, og at de stiller høyere krav til monteringen siden vognene ikke kan rotere om skinnen.

Løsningen takler heller ikke belastning fra sidene, eller vridning om bevegelsesaksen spesielt godt.

Denne løsningen blir betydelig dyrere enn Løsning nr. 1

Løsning 3 firkantrør og kulelager

Figur 51 Tversnitt av løsning nr 4. Demonstrerer sveis sammenføyning på høyre side, og vinkel stål og skruer på venstre side.

65

Løsningen baserer seg på at man tar to firkantrør og sveiser dem sammen som vist i figuren. Så lager

man en vogn som har fire kulelager som er i kontakt med den øverste profilen, og fire som er i

kontakt med den nederste profilen. Siden lagrene står 90 grader på hverandre på hver side, så vill de

holde vognen på plass med god presisjon. Dette er bare en løsning for en CNC-plasmakutter, ikke en

CNC-fres. Dette siden løsningen mest sannsynlig ikke blir stiv nok til å unngå å «sige» betraktelig i z-

retning. Denne løsningen vil ha stor toleranse for støv. Den vil også bli billigere enn løsning 1 og 2,

siden den bruker selve konstruksjonsmaterialet til rammen som føring. Den store variabelen her er at

løsningen for x-aksen involverer å sveise eller skru sammen to rør meget presist. Å sveise blir

sterkest, å skru blir mest presist. Uansett metode så er ikke noe oppgaveskriver vurderer at han vil få

til spesielt godt.

Konklusjon

Løsning 1 blir valgt siden den oppfyller alle kravene og ikke er for dyr i innkjøp. Oppgaveskriver har

også erfaring med løsningen fra tidligere, noe som anses som en fordel. Løsningen er blitt brukt på

oppgaveskrivers 3D-printer som har stått i et støvfylt miljø i ett år nå. Partiklene har variert fra fint

slipestøv til sagspon. Kulebøssingene har hatt behov for å bli smurt et par ganger, og akslingene har

blitt tørket av når det har vært som verst. Utenom dette så har ikke annet vedlikehold vært

nødvendig. Hvis det skulle vise seg at det blir et problem med støv, så er det flere alternativer til

selve kulebøssingen på markedet som kan brukes.

66

3.4.2 Lineær bevegelse Like viktig som at bevegelsen går i de aksene man ønsker så er det at den er så stor som man hadde

planlagt. For å sørge for at maskinen beveger seg forutsigbart så er det allerede valgt stepper

motorer, se kapitel 2.2.3 Motorer. Motorene beveger seg kontrollert og nøyaktig, men en motor som

ikke er koblet til noe vil ikke skape bevegelse.

For å skape bevegelsen så er det mange alternativer, og det er kjapt diskutert 3 av dem nedenfor.

Kuleskruer

Kuleskruer er skruer, med gjenger, men har litt spesielle gjenger. De er beregnet på at det skal gå en

spesiell mutter på dem som gjør at de har nesten ingen dødgang. Dette er en kjempe fordel for en

maskin som skal bevege seg frem og tilbake mye under arbeid. Dødgang her vil gjøre at det som

skulle være jevne kurver vil få rette partier når en akse snur retning, og kuttene blir unøyaktige.

Kuleskruer kan ha en rekke forskjellige stigninger og har lav friksjon, så det brukes ikke for mye kraft i

å overføre rotasjonen til motoren, til bevegelse i maskinen.

Bakdelen med kuleskruer er at de er det dyreste alternativet til lineær bevegelse. Oppgaveskriver

greier heller ikke å lage dem selv.

Trapesgjengestenger

Gjengestenger med trapsegjenger fungerer ganske likt som kuleskruer. Forskjellen er skruen ser mer

ut som en vanlig skrue enn kuleskruen kan gjøre. Forskjellen fra vanlige gjenger er at selve gjengene

sin profil ikke er en trekant, men nettopp et trapes. De kan overføre større krefter enn vanlige

gjenger og brukes blant annet til den automatiske matingen på dreiemaskinen på elevverkstedet. De

har ikke automatisk lite dødgang, men oppgaveskriver bruker dem på sin 3D-printer uten problem.

For å få til dette så har oppgaveskriver lagd muttere i nylon. Nylon er elastisk og når gjengene blir

kuttet så blir selve hullet litt mindre enn det egentlig skal. Når man setter mutteren på gjengestangen

sitter den meget godt, og med litt olje på så glir den med liten friksjon. Oppgaveskriver har både

gjengesnitt og gjengetapp til Tr10x2 trapesgjenger og kan derfor lage dem. Det beste er allikevel å

kjøpe rullede gjengestenger siden overflaten på disse vil være glattere enn dem man skjærer til selv.

Bakdelen med trapesgjenger er at det er mer friksjon enn med kuleskruer. Derfor må man ha

kraftigere motorer. For å kunne oppnå de ønskede hastighetene på maskinen så må man også ha

trapesgjenger med stor stigning. De blir dimensjonen fort stor også, og de ender opp med å veie

mye. Det vil i så fall gå utover hvor lett det er å montere og demontere maskinen. Alternativet er å

kjøre et veldig høyt turtall på stepper motoren, men da faller momentet motorene kan levere også,

og de vil raskt kunne miste steg.

Beltedrift

Å bruke belter med tenner er det tredje alternativet som blir vurdert. Løsningen fungerer ved at et

reimhjul festes på stepper motoren, og et reimhjul på andre siden av aksen man skal drive. Så festes

en reim mellom hjulene og for eksempel y-vognen feste på reimen igjen. Når motoren nå roterer så

vil den flytte y-vognen frem og tilbake alt etter rotasjonsretning. Denne løsningen er det billigste

alternativet. Det brukes på alt fra 3D-printere til CNC-freser som freser i MDF og annet

plantemateriale. Løsningen oppnår høye hastigheter ved lav rotasjonshastighet på motoren noe som

gjør at man kan utnytte motoren når den gir mest moment i forhold til strømmen som går gjennom. I

67

motsetning til de to andre løsningene så er denne løsningen svært lett. Den vil heller ikke få

problemer med støv.

Bakdelen er at den er sårbar for større gjenstander som kan sette seg fast. Selve beltet er også mer

elastisk enn gjengestengene. Det må derfor velges et som er stål forsterket for å hindre at det går

utover presisjonen. Beltet må også holdes stramt noe som gjør selve monteringen noe mer

komplisert enn for alternativene.

Konklusjon

Det velges beltedrift for x og y aksen på maskinen. Dette siden det ikke utgjør en stor innvestering,

estimeres til ca. 1500kr, og lett kan byttes ut med andre alternativer senere. Løsningen oppfyller

kravet til fart og kraftoverføring, men kan bli noe i det minste laget hvis det skal freses i tre.

For z-aksen velges det trapesgjenger. Dette side denne aksen ikke trenger å bevege seg spesielt raskt.

Det er derimot viktigere å kunne holde posisjonen. Det gjør den økte friksjonen og giringer med

trapesgjenger.

Radiusen til reimhjulet blir 7.5mm. Dette er funnet etter å ha brukt Matlab funksjonen

«Stepper_motor_kalkuleringer.m». Funksjonen regner ut alt som er relatert til stepper motorene på

bakgrunn av parametere satt i hovedfilen. Et utdrag av funksjonen er presentert nedenfor.

% Finner ut hvilken kraft som er størst og fortsetter utregningene P.motor_x = (P.plasma.x*(1-krav.p_eller_f)+ P.fres.x*krav.p_eller_f); P.motor_y = (P.plasma.y*(1-krav.p_eller_f)+ P.fres.y*krav.p_eller_f);

F_beregninger = max([P.motor_x P.motor_y]);

%% regner på maks

r_maks_kraft = motor.x.T*elektro.motor.dyn_faktor/F_beregninger; %M

r_test = 0.0075; if r_test > r_maks_kraft error_tekst = {'Valgt størrelse av tannhjulet er større enn maks størrelsen' 'Maks størrelse av tannhjulet er :' num2str(r_maks_kraft) 'mm' 'Du har angitt størrelsen til å være :' num2str(r_test) 'mm' 'Dette går ikke med disse motorene med de angitte krav til akselerasjon, toppfart,

og styrke'}; error(error_tekst) end krav.moment = F_beregninger*r_test/elektro.motor.dyn_faktor; motor.x.I_krav = motor.x.I/motor.x.T*krav.moment; motor.x.rps = (elektro.PSU1.V-

krav.spenning_tap_ledning)/(motor.x.L*2*motor.x.I_krav)/(motor.x.steg); motor.x.v_mulig = motor.x.rps*2*r_test*pi ; % m/s maksimal hastighet mulig ved

fullt moment motor.x.opplosning = (r_test*2*pi)/200*1000; % oppløsningen i hele steg, blir 10 ganger

finere med mikrosteppingen motor.x.dyn_kraft = motor.x.T*elektro.motor.dyn_faktor/r_test; % Kraften motoren kan

levere med test radiusen end

Utdrag 2Utdrag av Stepper_motor_kalkuleringer.m For hele se vedlegg 1

68

4 Diskusjon av resultater

4.1 Defleksjon

Figur 52 Oversikt over Verktøyposisjonen for senarioene

Tabell 4 Presentasjon av resultatene av utregning av defleksjon med krav for fres. Utregnet ved hjelp av Matlab samlingen, Vedlegg 1

Senario

Akse 1 2 3 4 5 6 7 8

X 0,337 0,230 0,337 0,230 0,337 0,230 0,337 0,230

Y 0,0516 0,0516 0,0525 0,0525 0,0516 0,0516 0,0516 0,0516

Z 0,00235 0,00241 0,00332 0,00333 0,00390 0,00366 0,00531 0,00513

abs 0,381 0,290 0,382 0,291 0,381 0,291 0,382 0,291

Tabell 5 Presentasjon av resultatene av utregning av defleksjon med krav for plasmakutter. Utregnet ved hjelp av Matlab samlingen, Vedlegg 1

Senario

Akse 1 2 3 4 5 6 7 8

X 0,0144 0,0144 0,0144 0,0144 0,0144 0,0144 0,0144 0,0144

Y 0,000501 0,000501 0,000512 0,000512 0,000501 0,000501 0,000501 0,000501

Z 0,00236 0,00241 0,00332 0,00333 0,00390 0,00366 0,00279 0,00261

abs 0,0147 0,0148 0,0149 0,0149 0,0150 0,0150 0,0148 0,0148

Alle tallene for defleksjon i Tabell 4 og Tabell 5ligger innenfor kravet til 0.5mm per akse. Dette er

ingen stor overraskelse da maskinen er overdimensjonert flere steder. Det er heller ikke så rart når

det bare er regnet på selve rammen. Hvis andre deler av maskinen som for eksempel de lineære

føringene hadde blitt tatt med så ville tallene for fresen ligget mye tettere opptil grensen på 0.5mm.

Videre gås det gjennom defleksjonen for hver akse for å diskutere hvor defleksjonen er størst, o gom

det kan gjøres noe med det.

69

4.1.1 x-retning Defleksjonen i x-retning er i begge tilfeller den største defleksjonen. For fresen så er den ca. 50%

større enn for y-aksen, og for plasmakutteren så er den mange ganger så stor. Derfor er dette

kanskje den mest interessante av aksene å studere, siden det her er størst forbedringspotensial.

Bidrag

Defleksjonen i x-retning får bidrag fra defleksjon av:

Festene mellom x-aksen og skjærebordet

y-aksen

Enden av x-aksen, maskinposisjon IV

Verktøyfestet og z-aksen

Senario 1 velges som eksempel. Defleksjonen er da fordelt mellom delene som vist i Tabell 6.

Tabell 6 Oversikt over fordelingen av defleksjonen i x-aksen med maskinen som fres. Tall fra utregninger gjort i Matlab

Del Fester x-akse bord y-aksen Verktøyfeste, og z-akse Totalt

Defleksjon 0.3278 0.000060563 0.0095 0,337

Her kan man klart se at det er festene mellom x-aksen og skjærebordet som står for det meste av

defleksjonen. Dette kan forbedres ved å for eksempel sveise på plater på festene som vil fungere

som avstivere.

Ikke medregnede faktorer

Beltedrift

x-aksen skal drives med belter, og siden det ikke er helt sikkert hvor elastiske de vil være, så er det

viktig å få ned defleksjonen til rammen først. Hvis festene avstives ordentlig så er det mye mere rom

for beltene sin elastisitet. Det er viktig at det er ordentlig stramming av beltet sånn at det ikke blir

dødgang. Hvis maskinen skal brukes mye som fres så kan det være en ide å montere trapesgjenger,

eller kuleskruer hvis universitetet vil ta seg penger til det.

Festet mellom x- og y-aksen

Det er ikke regnet på festet mellom x- og y-aksen. Det kan være defleksjon her som blir

betydningsfull hvis festene mellom bord og x-akse avstives.

70

4.1.2 y-retning y-aksen er den andre aksen som har beltedrift. Dette gjør at det er av stor interesse å få minsket

defleksjonen her også. x-aksen har to belter, et på hver side, mens y-aksen bare har ett belte. y-aksen

kan derfor forvente at beltet vil bli strekt lengre enn x-aksen sine.

Bidrag

Defleksjonen i y-retning får bidrag fra:

x-aksen

verktøyfestet og z-aksen

Her velges senario 2 for å analysere bidragene

Tabell 7 Oversikt over fordelingen av defleksjonen i y-aksen med maskinen som fres. Tall fra utregninger gjort i Matlab

Del x-aksen Verktøyfeste, og z-akse Totalt

Defleksjon 0.0341 0.0184 0,0516

Bidraget er relativt jevnt fordelt mellom de to kildene. Dette tillater at beltet kan bli strekt litt over

0.4mm uten at det går utenfor kravet på maks 0.5mm defleksjon.

Ikke medregnede faktorer

Beltedrift

Det er ikke sikkert hvor mye beltet vil strekke seg under belastning. Som for x-retning så vil det være

viktig å få det ordentlig strammet. Siden steppermotoren sin akse stikker ut på begge ender av

motoren så kan det være smart å feste

Dødgang i de lineære føringene

Hvis det er dødgang i de lineære føringene så kan det bidra med at hele verktøyfestet og y-vognen

vris om resulterer i merkbar defleksjon på verktøytuppen.

Festene mellom x-akse og skjærebord

Festene blir utsatt for et moment siden kraften angriper toppen av x-rammen se Figur 42. dette vil

føre til defleksjon i x-retning siden enden av festene vil bli bøyd. Lasten i z-retning vil ikke gjøre det

siden y-aksen hoder x-rammene i jevn avstand. vil ikke

71

4.1.3 z-retning Defleksjonen her er betydelig mindre enn oppgaveskriver fryktet. Siden det brukes

trapesgjengestang til den lineære bevegelsen så er det ikke grunn til å frykte at den skal strekke seg.

Bidrag

Defleksjonen i z-retning får bidrag fra defleksjon av:

x-aksen

y-aksen

festene mellom skjærebordet og x-aksen

Det er her ikke interessant å se på hvor store bidragene er i denne omgang, siden defleksjonen er så

liten. Det er mer interessant å identifisere mulige faktorer som ikke er medregnet.

Ikke medregnede faktorer

4.1.4 Felles ikke medregnede faktorer

Skruer/bolter

Det er ikke regnet på skruer og festemiddel. Dette siden det rett og slett ikke ble tid til det. Det vil bli

valgt overdimensjonerte skruer i alle koblinger, siden større dimensjoner gir større skruehoder.

Oppgaveskriver har erfaring med at større skruehoder gjør det litt vanskeligere å ødelegge

skruehodene, og litt lettere å få tak på dem.

72

4.2 Maskinens spesifikasjoner Oppgaven var å designe, dimensjonere og konstruere en CNC-plasmakutter som kan brukes som fres

til lettere materialer. Maskinen i seg selv er det viktigste resultatet av rapporten foruten læringen

den har bidratt med for oppgaveskriver. Derfor er det relevant å liste opp hva det ble ut av

rapporten. Hvordan er maskinen som er blitt designet? Hva er rammene til designet?

Maskinen ble, pga. at universitetet ikke kan handle med kredittkort eller tilsvarende løsninger på

nettet, ikke fysisk ferdigstilt før rapportens innleveringsfrist. Den vil allikevel bli ferdigstilt i tiden

etter eksamen og er forhåpentligvis fult fungerende fra og med høsten 2014.

4.2.1 Arbeidsområde Det er naturlig å se på hvor stort arbeidsarealet og høyden til maskinen er. Dette setter mange av

grensene for hva maskinen kan gjøre. Ikke minst når det er tenkt at den kanskje skal bli utstyrt med

andre verktøy enn den er designet for i dag.

Arbeidsarealet

Maskinen kan fysisk bevege x-aksen 2100mm og y-aksen 1600mm. Hvis man ikke tar hensyn til at

verktøyet kommer til å ha en utstrekning så får man da 2100mmx1600mm arbeidsområde, eller

3.36 arbeidsflate. Verktøyet har en utstrekning og verktøyfestet i designet, se kapittel 3.2.4, har en

bredde på 66mm. Det er ingen fysiske hindringer som stopper maskinen fra å utnytte hele lengden

på 2100mm. Ved å la det være 2mm klaring mellom verktøyfestet og x-aksen så blir arbeidsområdet

2100mm x 1530mm, eller 3.2

Dette oppfyller kravet om å kunne skjære i de bredeste platene(1500mm) og kunne skjære hele

plater a 2000mm.

Arbeidshøyden

Mellom skjærebordet og y-aksen er det 145mm For å unngå at arbeidsstykket krasjer i y-aksen så

settes en grense på 5mm fra y-aksen. Da blir arbeidshøyden 140mm.

Dette oppfyller kravet om minst 100mm arbeidshøyde for å kunne bearbeide hele isopor eller

styroformblokker. Se kapittel 3.2.1 Overordnet design av rammen for mer informasjon.

Arbeidsvolum

Maskinen får et arbeidsvolum på 2100mm x 1530mm x 140mm = 0.45 .

Arbeidsområde funksjoner

Maskinens utforming med x-aksene langs langsidene gjør at det kan legge stålplater i maskinen på

opptil 3,5 meter. Blir de større enn 3,5 meter så vil det ikke være mulig å få dem på maskinen pga.

avstand til veggene. Dette gjør at maskinen kan ha alle standard stålplater som funnet i kapittel 3.2.1

lastet i maskinen, selv om den ikke kan bearbeide plater på mer enn 2 meter lengde i en omgang.

Dette sparer masse arbeid med å måtte skjære til platen sånn at den passer inn i maskinen.

73

4.2.2 Bevegelse Hvor fort de forskjellige aksene kan bevege seg under ulike på kjenninger og hvor fin oppløsningen er

på aksene er nyttig informasjon. Dette kan brukes til å raskt bedømme om maskinen er i stand til å

gjennomføre en oppgave eller egner seg for montering av en type utstyr.

x-aksen Tabell 8 Bevegelsesinformasjon x-aksen

Egenskap Plasmakutter Fres

Oppløsning 0.0236 mm 0.0236 mm

Maks hastighet 2.5653 m/s 0.3275 m/s

Kraft 16.7 N 130 N

Når maskinen fungerer som en fres så vil belastningen på verktøyet bli fordelt over begge motorene.

Derfor blir ikke belastningen per motor så stor som for y-aksen sin stepper motor. Den må dra all

kraften alene siden det bare er en motor. Når maskinen fungerer som plasmakutter så får den en

latterlig høy hastighet på 2.56 m/s. Hastigheten vil bli begrenset av datamaskinen sånn at den ikke

når usikre grenser. Disse grensene vil bli satt når maskinen er ferdig konstruert.

y-aksen Tabell 9 Bevegelsesinformasjon y-aksen

Egenskap Plasmakutter Fres

Oppløsning 0.0236 mm 0.0236 mm

Maks hastighet 13.2532 m/s 0.1703 m/s

Kraft 3.22 N 251 N

y-aksen sin motor får også en usannsynlig høy topphastighet. Det vil være friksjon på de lineære

føringene som vil øke belastningen og senke farten. I tillegg så synker momentet jo fortere motoren

går. Så grensen befinner seg nok rundt maks 8 m/s. Selv det vil bli regulert til en maksfart som blir

satt når maskinen er ferdig kosntruert.

z-aksen

For z-aksen så blir maks fart satt manuelt. Dette siden det ikke er gjort faktiske beregninger. Se

kapittel 3.4.2 for forklaring.

Tabell 10 Bevegelsesinformasjon z-aksen

Egenskap Plasmakutter Fres

Oppløsning 0.001 mm 0.001mm

Maks hastighet 0.05 m/s 0.03 m/s

Kraft 1 N (friksjon) 251 N

Generelt

At x- og y-motorene greier kravene til fart(0.15m/s for plasma, 0.05m/s for fres) greit er viktig. Dette

fordi det vil komme friksjon inn i bildet på de lineære føringene, og andre krefter som det ikke er

regnet med. Disse kreftene vil gjøre at makshastigheten dropper fordi det blir behov for mer kraft.

Da er det bra å ha litt å gå på i utgangspunktet.

74

4.2.3 Styringssystemet¨ Styringssystemet består av en datamaskin som gjennom et styringskort, g540, kommuniserer ved

resten av elektronikken. se Figur 53.

Figur 53 Elektronikk oversikt

Styringskortet har innebygde motordrivere som driver to stepper motorer for x-aksen, en for y-

aksen, og en for z-aksen. Stepper motorene beveger verktøyet i x, y, og z-retning. Når maskinen

starter så «homer» den til 0 posisjonen til hver akse. Der står det en mekanisk bryter på hver akse

som maskinen aktiverer når den når 0 posisjonen. Når maskinen datamaskinen nå vet hvor verktøyet

er så kan den begynne å arbeide. En fil med g-kode lastes inn i Mach3 som er styringsprogrammet til

maskinen. Maskinen beveger på seg og når verktøyet har nådd posisjon så tennes plasmakutteren.

Dette skjer ved at datamaskinen sendte et signal til styringskortet om at det skulle slå på et rele som

fungere som på knappen som man finner på plasmakutter pistolen. Når plasmabuen er aktivert

sender THC-enheten et signal til styringskortet som forteller datamaskinen at verktøyet har begynt å

kutte. Da begynner datamaskinen å styre plasmakutteren gjennom mønsteret som er programmert i

g-koden. THC-enheten regulerer høyden opp og ned sånn at kuttet blir finest mulig.

Sånn vil styringen til maskinen i bunn og grunn fungere med dette oppsettet.

Maskinen har kvalitets styringskort, programvare, og THC-enhet. Programvaren Mach3 har egne

profiler for både fresing og plasmakutting noe som gjør den svert godt egnet til denne typen

«multimaskin» bruk. Programvaren og de elektriske komponentene som er valgt oppfyller alle

kravene som ble satt for dem. Kabler er ennå ikke valgt.

75

4.2.4 Oppsummering av maskinen

Figur 54 CNC-maskinen med det endelige designet den har på slutten av rapportskrivingen.

Tabell 11 Oversikt over noen av de viktigste egenskaper maskin

Type maskin 3, akset CNC-plasmakutter og fres

Arbeidsområde (x,y,z) 2100mm x 1530mm x 140mm

Arbeidsflate 3.2 m2

Arbeidsvolum 0.45 m3

x-akse

Plasmakutter Fres

Oppløsning 0.0236 mm 0.0236 mm

Maks hastighet 2.5653 m/s 0.3275 m/s

Kraft 16.7 N 130 N

y-aksen

Plasmakutter Fres

Oppløsning 0.0236 mm 0.0236 mm

Maks hastighet 13.2532 m/s 0.1703 m/s

Kraft 3.22 N 251 N

z-aksen

Plasmakutter Fres

Oppløsning 0.001 mm 0.001mm

Maks hastighet 0.05 m/s 0.03 m/s

Kraft 1 N (friksjon) 251 N

Programvare Mach3

Styringskort G540 Gecko

Motordrivere G250, 3A 50V

THC-enhet Proma Compact THC Controller 150

Endestopp Mikrobrytere, x+,x-,y+,y-,z+,z-

Strømforsyning 36V 10A 360W

76

5 Konklusjon

Defleksjon

Defleksjonen til rammen er innenfor kravet. Det er også identifisert tiltak som kan minske

defleksjonen ytterligere. Med dette så burde maskinen være i stand til å fungere som en fres i tillegg

til plasmakutter. Det er en del usikre elementer som for eksempel hvor mye beltene til beltedriften

strekker seg under bruk. Oppgaveskriver tror ikke dette vil skape problemer under bruk som

plasmakutter. For bruk som fres kan det føre til at den totale defleksjonen blir større enn tillat, hvis

belastningene blir store.

Oppgaveskriver konkluderer med at maskinen klarer de gitte kravene for defleksjon med

forbeholdene som er nevnt ovenfor.

Maskinens funksjonalitet

Oppgaveskriver er svært fornøyd med maskinen sin funksjonalitet. Det har lyktes å sette sammen et

design som gjør at alle standard størrelse stålplater kan mates rett inn i maskinen. Maskinen er ikke i

stand til å kutte opp lengre plater enn 2100mm i en operasjon, men kan kutte plater opp til og med

1500mm brede. Maskinen er bygd opp av moduler som kan tas fra hverandre og lagre sånn at

skjærebordet ikke blir okkupert av maskinen. Maskinen har innebygd automatisk høyde kontroller

for plasmakutter. Dette gjør at det blir mye lettere å skjære i bølgete plater, og kuttflatene og

kantene blir jevnere og finere. THC-enheten gir også signal om når plasmabuen er tent sånn at

maskinen kan vente med å begynne å skjære til plasmakutteren er klar. Maskinen er styrt av Mach3

et brukervennlig program med mange innstillingsmuligheter og ferdige profiler for både fresing og

plasmakutting.

Oppgaveskriver er meget fornøyd med den totale pakken som maskinen sitt design leverer.

Sammensettingen av komponenter er ikke revolusjonerende for denne oppgaven. Det finnes sikkert

mange maskiner som har brukt samme deler, men oppgaveskriver har ikke bare funnet en liste på

nettet å tatt utgangspunkt i den. Alle komponenter som er valgt er valgt av en grunn noe

oppgaveskriver håper han har greid å formidle gjennom kapittel 3 og 4.

Oppgaveskriver konkluderer med at maskinens design vil fylle funksjonen som CNC-plasmakutter og

CNC-fres når den er konstruert ferdig. Oppgaveskriver skulle ønsket at det hadde latt seg gjøre å

bygge ferdig maskinen før rapportfristen, men det lot seg ikke gjøre som tidligere nevnt.

Etterarbeid

Et viktig punkt var at det skulle kunne skrives oppgaver rundt maskinen, og at den skulle kunne

videreutvikles. Gjennom arbeidet på maskinen har oppgaveskriver konkludert med at disse

oppgavene ville være til stor nytte i form av å utvide maskinens funksjonalitet, eller være

interessante forskningsoppgaver.

Closed loop feedback system for stepper motorene sin bevegelse

Designe og implementere en form for feedback til datamaskinen sånn at styringen av maskinen kan

kontrollere om maskinen er i den posisjonen den skal være. Dette vil være svært nyttig hvis maskinen

skal operere nær sin kapasitetsgrense. Da kan datamaskinen kontrollere om den faktisk var i stand til

å gjennomføre bevegelsene den skulle, og kompensere og rette seg opp igjen hvis den skulle avvike.

Egner seg nok best for data og elektronikk studenter. Kybernetikk hadde dette vært ypperlig for.

77

Bygge maskinen om til en MIG-3D-printer som kan printe metal

3D-printer revolusjonen er over oss og plastikkprintere av varierende kvalitet popper opp i stadig nye

design og med stadig bedre resultater. Det går an å bygge en 3D printer som kan printe med MIG

apparatet i stedet for plastikk. Den fungerer ellers ganske likt som en plastik FDM printer, så det

meste av teknologien finnes klart. Har allerede blitt gjort på andre universiteter, men ikke i så stor

skala som det er mulig med å bruke denne store maskinen.

Egner seg for en blanding av maskin og elektro og data studenter

Oppgradere maskinen til å kunne frese i aluminium

En gruppe studenter kunne analysert maskinen og arbeidet videre på en pakken med Matlab

funksjoner og skript som oppgaveskriver allerede har lagd. De kan finne ut hva kravene for at

maskinen skal kunne frese i aluminium er, å så oppgradere maskinen sånn at den kan det.

Egner seg for maskin og elektro og data studenter. Det anbefales at de har litt peiling på matlab før

de setter i gang

Montere og designe belastnings overvåkningssystem.

Et trykk sensor system som måler kreftene maskinen blir utsatt for under arbeid. Dataen blir brukt til

å regulerer fremdriftshastigheten til maskinen og unngå at maskinen blir belaste så mye at

defleksjonen blir stor å går utover produksjonskravene til delen som produseres. Ville gjort maskinen

i stand til å gjennomføre nøyaktig maskineringsarbeid selv når den arbeider på grensen av sin

kapasitet.

Passer for en eller flere kybernetikk studenter og noen fra maskin.

Vedlikehold og funksjons analyse

Alle feil og avvik på maskinen blir rapportert. Ette et års bruk så går man gjennom dem, analyserer

feilene og forbedrer maskinen.

Egner seg godt for en liten gruppe maskinstudenter 2-3 stykk. Fordel med praktisk yrkesfaglig

bakgrunn innenfor mekanikk.

Oppgaveskriver konkluderer med at denne maskinen kan være starten på et spennende forsknings

og utviklingseventyr om universitetet gripper sjansen. Her er det mulighet for studenter til å lære og

professorer og doktorgradsstudenter til å få satt forskingen ut i live ved hjelp av gode tilgjengelige

produksjonsutstyr

78

7 Kilder CNCCookbook, Inc., u.d. CNCCookbook: Dealing with noise problems. [Internett]

Available at: http://www.cnccookbook.com/CCCNCNoise.html

[Funnet 13 Mai 2014].

Geckodrive Motor Controls, u.d. G540 4-Axis Digital Step Drive info. [Internett]

Available at: http://www.geckodrive.com/geckodrive-step-motor-drives/g540.html

[Funnet 6 Februar 2014].

miss_my_car, ebay.com selger, u.d. Pris på lineære føringer, ebay.com. [Internett]

Available at: http://www.ebay.com/itm/6pcs-SBR20-550-1750-2750mm-fully-supported-linear-rail-

shaft-rod-12pcs-SBR20UU-

/301009213129?pt=BI_Heavy_Equipment_Parts&hash=item46158c16c9#shpCntId

[Funnet 7 Februar 2014].

proma.elektronika, ebay.com selger, u.d. Pris på THC-enhet, ebay.com. [Internett]

Available at: http://www.ebay.com/itm/Proffessional-Compact-CNC-Plasma-THC-Controller-Torch-

Height-Control-/321302831531?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item4acf2421ab

[Funnet 7 Februar 2014].

sure-hifi, ebay.com selger, u.d. Pris på strømforsyning, ebay.com. [Internett]

Available at: http://www.ebay.com/itm/MW-36V-12-45A-AC-DC-PSU-Switching-Power-Supply-

Mean-Well-SE-450-36-450W-/350835960272?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item51af73e9d0

[Funnet 7 Februar 2014].

yibiaoxin1982, ebay.com selger, u.d. Pris på kulebøssinglagre, ebay.com. [Internett]

Available at: http://www.ebay.com/itm/6pcs-LM20UUOP-20mm-Open-Linear-Ball-Bearing-

/350680109310?pt=BI_Heavy_Equipment_Parts&hash=item51a629d0fe

[Funnet 7 Februar 2014].

Álvarez, J.-M. B., 2007. Steinalderverktøy fra den atlantiske regionen Guelmim-Es Semara, Sahara

(Det nasjonale arkeologiske museet i Madrid), Madrid: Wikimedia Commons.

Anon., u.d. EgyptSearch Forums: Out of Africa - Ancient Egyptian Inventions. [Internett]

Available at: http://www.egyptsearch.com/forums/ultimatebb.cgi?ubb=print_topic;f=8;t=007057

[Funnet 8 Mai 2014].

ArtSoft Corporation, u.d. Mach3 – License. [Internett]

Available at: http://www.machsupport.com/shop/mach3/

[Funnet 5 Februar 2014].

asahitoys, ebay.com selger, u.d. Pris på belte tanhjul, ebay.com. [Internett]

Available at: http://www.ebay.com/itm/HTD-3M-Aluminum-Timing-Pulley-15-tooth-Bore-6-35mm-

for-15mm-wide-belt-CNC-/161198948806?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item258834c1c6

[Funnet 5 Februar 2014].

B2BMETAL, u.d. Rectangular structural hollow sections - HSS of EN 10219, cold formed steel

rectangular sections. [Internett]

Available at: http://www.b2bmetal.eu/en/pages/index/index/id/94/

[Funnet 16 April 2014].

79

British Stainless Steel Association, u.d. Bimetallic (galvanic) corrosion risks from contact with

galvanised steel or aluminium. [Internett]

Available at: http://www.bssa.org.uk/topics.php?article=89

[Funnet 13 Mai 2014].

Cai, Z. & Ross, R. J., u.d. Mechanical Properties of Wood-Based. [Internett]

Available at: http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplgtr/fplgtr190/chapter_12.pdf

[Funnet 5 Februar 2014].

Changzhou WanTai Electrical Appliance Co.,Ltd, u.d. Hybrid Stepping Motor 57BYGH. [Internett]

Available at: http://www.wantmotor.com/ProductsView.asp?id=160&pid=80

[Funnet 11 Mai 2014].

CNC Masters, u.d. CNCl Max Machine. [Internett]

Available at: http://www.cncmasters.com/images/home/products/cncmax/cnc-mill-max-rt-view-

big.jpg

[Funnet 10 Mai 2014].

CNC-arena forum users, 2006. Stepper Motors and Drives > Stepper EM noise:. [Internett]

Available at: http://www.cnc-arena.com/en/forum/stepper-em-noise--201278.html

[Funnet 13 Mai 2014].

cnczone.com brukere, u.d. mdf vs plywood, foruminlegg på cnczone.com. [Internett]

Available at: http://www.cnczone.com/forums/jgro_router_table_design/65921-

mdf_vs_plywood.html

[Funnet 7 Februar 2014].

Dave Cook, C. T. S. D., u.d. Troubleshooting PAC Systems: How to Nullify Noise. [Internett]

Available at: http://www.centricut.com/New_Lessons/lessons_14.html

[Funnet 13 Mai 2014].

Daycounter Inc., u.d. Stepper Motor Calculator. [Internett]

Available at: http://www.daycounter.com/Calculators/Stepper-Motor-Calculator.phtml

[Funnet 11 Mai 2014].

Dolly1010, 2011. Stepper Motor. [Internett]

Available at: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stepper_motor.jpg

[Funnet 10 Mai 2014].

engineeringtoolbox.com, u.d. Densities of Miscellaneous Solids. [Internett]

Available at: http://www.engineeringtoolbox.com/density-solids-d_1265.html

[Funnet 16 April 2014].

engineeringtoolbox.com, u.d. Modulus of Elasticity - Young Modulus for some common Materials.

[Internett]

Available at: http://www.engineeringtoolbox.com/young-modulus-d_417.html

[Funnet 16 April 2014].

Gecko Drive, u.d. G540 4-Axis Digital Step Drive. [Internett]

Available at:

http://www.geckodrive.com/media/catalog/product/cache/1/image/9df78eab33525d08d6e5fb8d27

80

136e95/g/5/g540.gif

[Funnet 28 April 2014].

Junge, M., u.d. Centrifugal Governor at the Science Museum London, s.l.: s.n.

Lemu, H. G., 2013. Dimmensjonering av maskinelementer, Kompendium i fag BIM150

Maskinelementer. Stavanger: Institutt for konstruksjonsteknikk og materialteknologi, UiS.

Machsupport Forum Users, 2008. "Holding" vs "Running" torque. [Internett]

Available at: http://www.machsupport.com/forum/index.php?;topic=6466.0

[Funnet 12 Mai 2014].

Makerbot, u.d. MakerBot Replicator Desktop 3D Printer (Fifth Generation Model). [Internett]

Available at: http://store.makerbot.com/replicator

[Funnet 10 Mai 2014].

Norsk Stål, u.d. Norsk Stål Produktkatalog. [Internett]

Available at:

http://produktkatalog.norskstaal.no/Pages/Category.aspx?cat=Org0200&Category=po253010

[Funnet 13 Mai 2014].

Plastics One Inc, u.d. Wire Design - Making the Perfect Cable. [Internett]

Available at: http://www.plastics1.com/Wire-Design.php

[Funnet 10 Mai 2014].

R.C.Hibbeler, 2011. Machanics of Materials. 8 red. Singapore: Pearson Education South Asia Pte Ltd.

Reprap contributors, 2014. G-code. [Internett]

Available at: http://reprap.org/wiki/G-code

[Funnet 10 Mai 2014].

Ruukki Norge As, 2014. Lagerprogram og prisliste RuukkiNorge. [Internett]

Available at:

www.ruukki.no/~/media/Norway/Files/Stocklists%20ALU/Aluminium%20stang%20og%20r%C3%B8r.

pdf

[Funnet 16 April 2014].

sawmillcreek.org brukere, u.d. Dimensional Stability MDF vs Plywood, debatt innlegg. [Internett]

Available at: http://www.sawmillcreek.org/showthread.php?122015-Dimensional-Stability-MDF-vs-

Plywood

[Funnet 5 Februar 2014].

Smith Stål, 2011. Lagerkatalog Smith Stål. [Internett]

Available at: http://www.smithstal.no/SmithStaal/Produkter/lagerkatalog-

smithstal.no.pdf?epslanguage=no

[Funnet 13 Mai 2014].

Sunzhou Sunda Machine Tools CO., LTD., u.d. Economical CNC Lathe CJK6136B-Sunda Machine Tools.

[Internett]

Available at: http://www.sundamachinetools.com/economical-cnc-lathe/CJK6136B.htm

[Funnet 10 Mai 2014].

81

Tenderlok, 2012. Steam Engine. [Internett]

Available at: http://en.wikipedia.org/wiki/Steam_engine

[Funnet 8 Mai 2014].

Tooling University, 2014. What is the definition of machining center?. [Internett]

Available at: http://www.toolingu.com/definition-300210-12755-machining-center.html

[Funnet 8 Mai 2014].

Waard, S. d., 2011. Electric motor. [Internett]

Available at: http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_motor

[Funnet 8 Mai 2014].

wawawago, ebay.com selger, u.d. Pris på reim, ebay.com anonse. [Internett]

Available at: http://www.ebay.com/itm/HTD-3M-Timing-Belt-5m-W-10mm-for-CNC-Robotics-

/121259869934?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item1c3ba6c6ee

[Funnet 7 Februar 2014].

Wikipedia contributors , 2014. Galvanic corrosion. [Internett]

Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Galvanic_corrosion&oldid=607332035

[Funnet 13 Mai 2014].

Wikipedia contributors , 2014. Numerical control. [Internett]

Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Numerical_control&oldid=607135967

[Funnet 7 Mai 2014].

Wikipedia contributors , 2014. Stepper motor. [Internett]

Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Stepper_motor&oldid=607511535

[Funnet 10 Mai 2014].

Wikipedia contributors, 2013. Knitting machine. [Internett]

Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Knitting_machine&oldid=582507744

[Funnet 7 Mai 2014].

Wikipedia contributors, 2014. Electric motor. [Internett]

Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Electric_motor&oldid=606971270

[Funnet 6 Mai 2014].

Wikipedia contributors, 2014. History of technology. [Internett]

Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=History_of_technology&oldid=605990522

[Funnet 6 Mai 2014].

Wikipedia contributors, 2014. Mechanical calculator. [Internett]

Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Mechanical_calculator&oldid=604082356

[Funnet 6 Mai 2014].

Wikipedia contributors, 2014. Servomotor. [Internett]

Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Servomotor&oldid=607615631

[Funnet 10 Mai 2014].

Wikipedia contributors, 2014. Shim (spacer). [Internett]

Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Shim_(spacer)&oldid=601629943

[Funnet 18 April 2014].

82

Wikipedia contributors, 2014. Skin effect. [Internett]

Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Skin_effect&oldid=607694348

[Funnet 13 Mai 2014].

Wikipedia contributors, 2014. Watermill. [Internett]

Available at: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Watermill&oldid=606999397

[Funnet 6 Mai 2014].

Wikipedia-brukere, 2013. Forbrenningsmotor. [Internett]

Available at: //no.wikipedia.org/w/index.php?title=Forbrenningsmotor&oldid=12211443

[Funnet 6 Mai 2014].

www.engineeringtoolbox.com, u.d. Modulus of Rigidity. [Internett]

Available at: http://www.engineeringtoolbox.com/modulus-rigidity-d_946.html

[Funnet 27 April 2014].

zappltd, ebay.com selger, u.d. Anonse med info om styrken til reim. [Internett]

Available at: http://www.ebay.com/itm/T5-Timing-open-timing-belt-10mm-CNC-ROBOTICS-

/251038880715?pt=UK_BOI_Industrial_Automation_Control_ET&hash=item3a731553cb

[Funnet 5 Februar 2014].

1

Vedlegg Alle vedleggene ligger elektronisk på www.gjoreselv.com

1 Matlab funksjoner og skript Alle Matlab funksjoner og skript som er brukt i oppgaven pakket i .zip fil

1. Hovedfil_beregninger_CNC_plasmakutter.m

2. Vekt_og_krefter.m

3. Defleksjon.m

4. Stepper_motor_kalkuleringer.m

5. Senario.m

6. ledning_tversnitt.m

7. konvergering.m

2 Solid Edge filer Solid Edge modellfilene til maskinen pakket som .zip fil

3 Brukermanual THC-enhet Proma Brukermanual med teknisk informasjon og spesifikasjoner

4 Brukermanual G540 GeckoDrive Brukermanual med teknisk informasjon og spesifikasjoner