MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE BRNO 2016 JAN KUKLA

2 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Konstrukční řešení tenzometrické měřící hlavy Diplomová práce Vedoucí práce: Vypracoval: Ing. Marek Ţák, Ph.D. Bc. Jan Kukla Brno 2016

3 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy 2015/2016 ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Autor práce: Studijní program: Obor: Konzultant: Bc. Jan Kukla Zemědělská specializace Automobilová doprava Ing. Marek Ţák, Ph.D. Název tématu: Konstrukční řešení tenzometrické měřicí hlavy Rozsah práce: stran

4 Zásady pro vypracování: 1. V úvodní části vypracujte rešerši v oblasti měření pomocí tenzometrické hlavy. 2. Stanovte podmínky pro definovaný účel měřicí hlavy včetně určení přesnosti a opakovatelnosti měření. 3. Navrhněte konstrukční řešení v CAD systému Solidworks. 4. Vytvořte výrobní dokumentaci. 5. V závěru uveďte metodiku ověření hlavy z hlediska kinematiky, přesnosti měření a případné optimalizace. Seznam odborné literatury: 1. FINKELSTEIN, E. Mistrovství v AutoCADu : kompletní průvodce uţivatele pro verze 2009 a vyd. Brno: Computer Press, s. ISBN POPELKA, M. Technické výkresy v AutoCADu : průvodce tvorbou technické dokumentace na počítači. 1. vyd. Brno: Computer Press, s. ISBN ZIKEŠ, J. Učebnice AutoCADu. 1. vyd. České Budějovice: Kopp, s. ISBN X. 4. DURKÁČ, M. -- TRÁVNÍČEK, P. -- JUNGA, P. -- MAREČEK, J. Moderní postupy konstrukce při vývoji modulového zařízení pro rapid-prototyping. [CD- ROM]. In Nové trendy v konštruovaní a v tvorbe technickej dokumentácie s ISBN MISCHKE, C. -- BUDYNAS, R. -- SHIGLEY, J. Konstruování strojních součástí. Brno: VUTIUM, s. ISBN Konstruování strojních součástí. 1. vyd. Brno: VUT v Brně, s. ISBN SHIGLEY, J E. -- MISCHKE, C R. -- BUDYNAS, R G. Konstruování strojních součástí. 1. vyd. V Brně: Vutium, s. ISBN RUSNÁK, J. Nové trendy v konštruovaní a v tvorbe technickej dokumentácie , Nitra (SK).

5 9. ŠIPOŠ, L. -- BEŇO, P. Počítačom podporované konštruovanie. 1. vyd. Zvolen: TU Zvolen, s. ISBN SVOBODA, P. a kol. Základy konstruování. 2. vyd. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s. ISBN BRANDEJS, J. -- SVOBODA, P. -- PROKEŠ, F. Základy konstruování. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s. ISBN SVOBODA, P. a kol. Základy konstruování. 3. vyd. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s. ISBN Zborník vedeckých prác - Nové trendy v konštruovaní a v tvorbe technickej dokumentácie Nitra: Slovenská polnohospodárská univerzita v Nitre, Technická fakulta, Katedra mechaniky a strojníctva, ISBN Datum zadání diplomové práce: listopad 2014 Termín odevzdání diplomové práce: duben 2016 Bc. Jan Kukla Autor práce Ing. Marek Ţák, Ph.D. Vedoucí práce doc. Ing. Jiří Čupera, Ph.D. Vedoucí ústavu doc. Ing. Pavel Ryant, Ph.D. Děkan AF MENDELU

6 Čestné prohlášení Prohlašuji, ţe jsem práci: Konstrukční řešení tenzometrické měřící hlavy, vypracoval samostatně a veškeré pouţité prameny a informace uvádím v seznamu pouţité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s 47b zákona č. 111/1998 Sb.,o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací. Jsem si vědom, ţe se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a ţe Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a uţití této práce jako školního díla podle 60 odst. 1 autorského zákona. Dále se zavazuji, ţe před sepsáním licenční smlouvy o vyuţití díla jinou osobou (subjektem) si vyţádám písemné stanovisko univerzity, ţe předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity, a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to aţ do jejich skutečné výše. V Brně dne:.... podpis

7 PODĚKOVÁNÍ Nejvíce chci poděkovat svému vedoucímu diplomové práce Ing. Marku Ţákovy, Ph.D., za uskutečnění a seznámení s firmou, ve které jsem svoji práci zpracoval. Také díky jeho nápadům a důleţitým poznatkům z praxe jsem práci dokončil. Při výběru tenzometrických snímačů mi velmi pomohl doc. Ing. Jiří Čupera, Ph.D. a zaměstnanec firmy HBM, pan Ing. Jiří Klement, díky kterému jsem mohl nahlédnout do vědy váţení v experimentálním měření. Také bych rád poděkoval zaměstnancům firmy MSR Engines, kteří mě pozitivně kritizovali, a tím mě bylo umoţněno dosáhnout lepších výsledků. Firmě samotné, respektive majiteli Martinu Šulovy, pro reálné uskutečnění měření, bez kterého by tato práce nevznikla.

8 Abstrakt Hlavním cílem mé diplomové práce je navrţení konstrukce tenzometrické měřící hlavy. Tato konstrukce umoţňuje testování plováku v bazénu a ulehčí práci lidské obsluhy. Měřením se zjistí fyzikální vlastnosti plováku. Konstrukce je namontovaná na robotu KUKA. Zvolil jsem vhodný snímač single-point, pro měření vztlakové a tahové síly plováku na hladině. Tenzometrický snímač disponuje krytím IP67. Materiál nosné konstrukce je ze slitiny hliníku od firmy MayTec. Snímače jsou umístěny v ose těţiště plováku, který jsem experimentálně vypočítal. Z mých zkušeností, chování plováku na hladině v provozu a pod zatíţením, lze očekávat změnu polohy těţiště. Konstrukce je pro tento případ přizpůsobena. Výsledným produktem je lehká a odolná konstrukce s přesnými snímači a nízkou cennou. Klíčová slova Tenzometr, snímač sil, konstrukce, měření, tahová síla, vztlaková síla, těţiště, solidworks, plovák, surf, robot, MayTec Abstract The main objective of my thesis is to design the constuction of strain gauge measurring head. This constrction allows testing float in the pool and facilitate the job of a human operator. By measuring we determined the physical properties of the float. The construction is mounted on the robot KUKA. I chose suitable sensor single-point for measuring buoyacy and tensile strength float on the surface. Strain sensor has an cover IP67. Material of the supportng structure is made of aluminium alloy from company MayTec. The sensors are located in the axis of the center of gravity of the float, which i experimentally calculated. From my experience, character of the float in work on the surface and under load be expected change center of gravity. Construction is adapted for this situation. Final product is light and durable construction with precise sensors and low price. Keywords Strain gage, force sensor or load cells, construction, measurring, tensile force, buoyant force, center of gravity, solidworks, float, surf, robot, MayTec

9 OBSAH 1 Úvod Cíl práce Testovaný objekt Stávajicí Pracoviště Návrh pracoviště Navrhovaný postup měření Materiálová deformace neboli tenzometrie Princip tenzometru Druhy tenzometrů Kovové Polovodičové Výběr snímačů podle druhu měření Metodika Single point tenzometr Technické a bezpečnostní doporučení Montáţ plošiny a elektrického připojení Základní výpočty Naměřené hodnoty Tahová síla Hmotnost Těţiště Statická vztlaková síla Rovnováha sil Konstrukční řešení v CAD systému SolidWorks Počáteční návrh Snímač síly U2B Lineární vedení Materiál konstrukčních prvků Konečné řešení konstrukce tenzometrické měřící hlavy Montáţ tenzometrických snímačů Nosná konstrukce Uchopovací prvek catcher Systém uchycení a zajištění plováku Závěr Seznam příloh

10 Pouţitá literatura Seznam obrázků

11 1 ÚVOD Ve své diplomové práci jsem se zaměřil na konstruování 3D modelů v CAD programu SolidWorks. Pracovat v tomto programu jsem začal na střední škole a nadále jsem v něm pokračoval i na Mendelově univerzitě v Brně. Zde jsem se díky svému vedoucímu práce seznámil s firmou MSR Engines s.r.o. a jejím zakladatelem Martinem Šulou. Tato firma, která se zaměřila na specifický obor ve vodních sportech, vyrobila motorizovaný surf s názvem Jet-Surf. Myšlenka toho produktu existovala jiţ dávno, ale díky vývojářům jako jsou Martin Šula, Tadej Sterk a Zbyněk Bureš, se podařilo spojit jejich vědomosti a zkušenosti v oblasti spalovacích motorů, hydromechaniky, kompozitních materiálů a elektrotechniky tak, aby se tato myšlenka stala reálnou. Jet-Surfové prkno bylo vyvinuto s krajní opatrností, aby byl minimalizovaný dopad na ţivotní prostředí. Pouţitím nejmodernějších technologických postupů a materiálů se inţenýrům zdařilo sníţit celkovou hmotnost na 18 kg i s příslušenstvím. Jet-Surf absolvoval homologaci součástí a norem, je vyroben technologii Greentech, a tudíţ splňuje mezní hodnoty emisí stanovené pro motorová plavidla se spalovacím motorem. Pohonná jednotka je certifikována a schválena Evropskou komisí a získala označení Evropské unie, CE. Firma MSR Engines se specializuje především na vývoj a výrobu nízko objemových závodních i klasických spalovacích motorů. Nabízejí řešení technologie výroby odlitků, vyrábí formy pro metodu přesného lití hliníku a následně přímo odlitky s vysokou přesností a kvalitou materiálu. Ve spolupráci s kooperanty provádí vývoj a výrobu elektronického příslušenství motoru především zapalovacích a řídících jednotek. V oblasti vývoje spalovacích motorů řeší tvar přepouštěcích kanálů a dále jejich optimalizaci. Vyuţívají přitom nejmodernější techniky měření proudění- anemometrický tester Jaroš a simulace proudění- vzájemnou spoluprací s technickými univerzitami v Brně vyuţívají simulační programy pro zobrazení vnitřní aerodynamiky proudění a to především program Fluent. Pro vývoj vnitřní aerodynamiky pouţívají k výrobě modelů počítačového 3D modelování metodu tzv. 3D tisku nebo také laserové stereolitografie. Vnitřní aerodynamiku 11

12 motoru jsou schopni optimalizovat pro dosaţení maximálního výkonu v potřebných otáčkách ještě před zahájením výroby forem. Vývoj motorů se dodává jako komplet, tzn. včetně vývoje forem pro slévárenství, výroby forem opracování odlitků i výrobu všech komponentů spalovacích motorů. Dále také nabízejí vývoj a výrobu forem pro přesné lití hliníku. Firma vznikla v roce 2008 v Brně a od té doby se stále vyvíjí. Bylo my zde umoţněno vypracovat mou diplomovou práci a tím i přispět této firmě k dalšímu kroku ve vývoji. V zadaném úkolu jsem viděl uţitečnost a náročností i jistou výzvu a bez váhání jsem souhlasil. Během magisterského studia jsem v MSR Engines pracoval ve vývojovém oddělení, a tak jsem měl moţnost nahlédnout do mechanizmu tohoto vodního plavidla a vyuţít tyto informace pro navrţení měřícího zařízení. Pro vytvoření jednotlivých modelů, měřících snímačů a celkového rozvrţení konstrukce jsem byl ovlivňován mnoha vnitřními faktory. Jedním z nejdůleţitějších faktorů je nosnost robotického ramene KUKA, na jehoţ konci jsou umístěny dva tenzometrické snímače, celkový mechanizmus uchycení surfu, surf a jeho ovládání. S tímto omezením samozřejmě souvisí finanční stránka pro reálné vytvoření a funkční provozuschopnost. Z mého pohledu je myšlenka vytvoření ultralehkého surfu pro přepravu jedné osoby po hladině velmi zajímavá a nadčasová, nicméně jsou některé fyzikální vlastnosti tohoto plavidla záhadou, které se odhalí aţ časem. 12

13 2 CÍL PRÁCE Hlavním cílem této diplomové práce je vytvoření nosné konstrukce a vhodný výběr tenzometrických snímačů pro měření sil. Konstrukce bude uchycena na konec robotického ramene, kde se budou nacházet tenzometry, které budou snímat tah prkna, tlak do vody a váhu prkna. Další důleţitý bod měření bude snímání a zaznamenávání otáček motoru. Tento motor je v kaţdém plováku a jeho otáčky jsou snímány Hallovou sondou, generující digitální signál. Vše bude probíhat v uzavřené zkušební místnosti, kde se nachází bazén určený pro tyto účely. Dále, je nutné udělat teoretický výpočet zatíţení konstrukce od dynamického namáhání a tím zvolit nosnost a rozsah tenzometrů, celkovou váhu konstrukce i s prknem pro maximální nosnost KUKA ramene. Konstrukční řešení robotické, tenzometrické hlavy bude měřit následující stavy: Na počátku měření bude snímání prázdné hmotnosti plováku. Simulace reálného stavu, kdy člověk jede na jetsurfu po klidné hladině konstantní rychlostí, tzn., ţe robotické rameno bude vytvářet tlakovou sílu (simulace hmotnosti člověka) na prkno kolmou na hladinu vody ve zkušebním bazénu. Můţe také nastat případ, kdy se robotické rameno bude naklánět dopředu a dozadu, podle dynamické polohy těţiště zkoušeného prkna. Během tohoto stavu se bude měřit jeho vztlaková síla a tahová síla, při zatíţení a bez zatíţení, v závislosti na otáčkách motoru. Měření otáček motoru při zátěţi. Prkno je uchyceno do konstrukce, pomocí tenzometrů se zváţí jeho stav na počátku, proběhne test a zváţí se jeho stav na konci. Z toho měření se zjistí mnoţství vniklé a nevyčerpané vody. Kontrola výpadku motoru během testování. Počet testovaných kusů měsíčně: Další stav, je experimentální a má probíhat pod vodou, kde do prkna nateče (úmyslně) voda a změří se, za jak dlouho dokáţí čerpadla, umístěná uvnitř surfu tuto vodu odčerpat, tím se zjistí, jestli jsou čerpadla bez závady i po namontování. 13

14 2.1 TESTOVANÝ OBJEKT Objektem k testování je motorové plavidlo zvané Jet-surf (Obr. 1). Obal tohoto plavidla je vyrobeno z karbonových vláken. Hlavní pohonnou jednotkou je dvoutaktní jednoválcový spalovací motor o zdvihovém objemu ccm. Motor je chlazený kapalinou, proudící v oběhu pomocí čerpadel. Maximální rychlosti na hladině dosahuje 53 aţ 57 km/h (typ Pro Race). Startování a ovládání plováku se provádí rukojetí, ke které se připojí magnet. V případě vzdálení osoby od plováku se z bezpečnostních důvodů motor odstaví z provozu. Ovládání otáček motoru se provádí pomocí páčky na rukojeti, která je pevně připojena k přední části plováku. Řídící elektronika je napájena Li-FePO4 akumulátorem. Uvnitř plováku se nachází tři na sobě nezávislá vodní čerpadla. Motoru je dodáváno benzínové palivo, namíchané s olejem v poměru 1:30 v nádrţi o objemu cca 2,5l. Spotřeba benzínu se pohybuje okolo 2l/hod. (Jet-surf, 2016) Obr. 1 Motorizované vodní plavidlo Jet-surf GP 2.2 STÁVAJICÍ PRACOVIŠTĚ Současný stav pracoviště k roku 2016 je jiţ v nové výrobní/vývojové hale ve Střelicích. Testování nyní plně probíhá lidskou obsluhou (Obr. 2). Pracovník uloţí prkno do obalu, poloţí ho na hladinu do bazénu, připojí pojistné lana na krajích bazénu a výfukovou hadici pro spaliny. Nastartuje ho pomocí přiloţením magnetu do ovladače řízení a rukojetí ovládá otáčky motoru. Obsluha kontroluje především, zda motor v pořádku pracuje i na vodní hladině, jestli do vnitřku neteče někudy voda (těsnost) a v poslední řadě funkčnost vodních čerpadel pro odčerpávání nateklé vody a čerpadla pro chlazení 14

15 motoru. Pro testování se pouţívá speciální plastový bazén s výztuhami, který se bude dále pouţívat i pro automatizované měření robotickým ramenem (Obr. 3.). Vlastnosti chování plováku se provádí čistě vizuálně. Případné nedostatky nebo doplňky o další měření se provádí přímo na místě. Obr. 2 Stávající pracoviště Obr. 3 Bazén s vodou 15

16 V zadní části bazénu se nachází otevřené potrubí, slouţící k plynulému proudění vody z hnací turbíny plováku, zpět k přední části bazénu. Součástí tohoto bazénu je hadice, která má za úkol odsávat výfukové spaliny od dvoutaktního motoru plováku. Hadice je vybavena koncovkou. Po nasazení na výfukové potrubí se koncovka zajistí bajonetovým spojením. V aktuálním stavu je toto spojení vylepšeno a dosaţeno lepší těsnosti. Místnost je vybavena automatickou klimatizací a odsávacím potrubím pro bezpečnost a nastavení simulace provozu v terénu. Obr. 4 Detail na koncovku s hadicí pro výfukové spaliny Nedostatkem tohoto systému je v nemoţnost opakovat test a jeho standardizaci (automatizaci). Zároveň je nutná plná kontrola lidskou osobou. Nelze plovák zatíţit poţadovanou (reálnou) zátěţí, simulující hmotnost člověka řídící plovák a z toho vyvodit případné namáhání. Výhodami současného stavu měření je jednoduchost operace s plovákem a relativně nízké náklady na samotný test a proškolení obsluhy. Čas, potřebný k otestování jednoho plováku je okolo 30 minut. 16

17 2.3 NÁVRH PRACOVIŠTĚ Hlavním prvkem v navrhovaném pracovišti je průmyslový robot od firmy KUKA, model KR150. Rok výroby robota je 2003 a jeho uţitečná nosnost je 150 kg. Jedná se o model s univerzálním vyuţitím. Robotické rameno se můţe pohybovat v šesti osách a je určený pro střední zatíţení. Tyto roboty se vyuţívají pro různé aplikace v průmyslu ke svařování, manipulaci nebo montáţ. Konkrétně pouţitý robot byl zakoupen od firmy BMW a jeho činností bylo svařování rámů automobilů. Tomu odpovídá i stav, vybavení a cena modelu. Stav robota nejeví ţádné známky poškození a opotřebení odpovídá době provozu v průmyslu. Pro zadaný úkol je vyhovující. Obr. 5 Zakoupený robot KUKA KR150 17

18 Parametry robotu: Název: KUKA-KR2150 S C2 FLR ZH150/180 Datum výroby: 2003 Maximální dosah: 3100 mm Počet os: 6 Uţitečná nosnost: 150 kg Návrh pracoviště, jeho výkresovou dokumentaci a zapojení robota má za práci další diplomant ve firmě. Prostor pro měření je vyhrazen v hale s betonovou podlahou. Místnost bude oddělena zděnou příčkou, ve které budou vsazeny dveře pro vstup a okno pro pozorování obsluhy z bezpečné vzdálenosti od dosahu robota. Dosah robotu je ověřen 3D vizualizací pracoviště (Obr. 6). Obr. 6 3D vizualizace měřícího pracoviště Robot je přimontován k podlaze. Šrouby M24 spojují distanční ocelovou desku, která je chemickou kotvou a závitovou tyčí chycena v betonové podlaze. Místnost je vybavena nucenou recirkulací vzduchu pro případné úniky spalin z výfuku motoru. Odsávání je společné z vedlejších prostorů. Druhou místností je tzv. kontrolní, kde je umístěna výpočetní technika a řídící systém robota. Vedle něj je pracoviště pro obsluhu s počítačem s LabVIEW, který bude slouţit k zaznamenávání a vyhodnocování získaných dat. 18

19 2.4 NAVRHOVANÝ POSTUP MĚŘENÍ Postup měření a uchycení plováku bylo naplánováno pro dvě varianty měření. První variantou bylo upnutí plováku pomocí přísavek. Výhodou by bylo jednoduché a rychlé testování s minimální námahou lidské obsluhy. Nízké náklady na materiál a sníţená hmotnost. Plovák by byl umístěn do přípravku a robot by měl přesnou pozici pro jeho uchycení. Značnou nevýhodou by bylo poškození polepu na povrchu plováku. Druhou variantou měření, je podobný postup. Robot najede konstrukcí na výchozí pozici mimo bazén, tam pracovník upevní plovák. Správné zajištění upnutí bude dáno signalizací zelené kontrolky od mikrospínače umístěného na konstrukci. Potvrzení signálu je také vysláno do řídícího počítače robotu. Obsluha dále upevní hadici pro odsávání spalin bajonetovou koncovkou a opustí testovací prostor. Svoji nepřítomnost v místnosti potvrdí spínačem a spustí testovací proces. Po ukončení testu, robot najede opět do výchozí pozice pro odepnutí plováku. 3 MATERIÁLOVÁ DEFORMACE NEBOLI TENZOMETRIE Jedny z prvních praktických způsobů pro experimentální stanovení materiálového napětí byly zaloţeny na objevu v roce 1678 anglickým vědcem Robertem Hookem. Objevil vztah mezi napětím v materiálu a výslednou deformací. Tuhle deformaci, která se nazývá strain se objevu na povrchu objektu, a tak je přístupná pro měření. Na konci druhé poloviny roku 1930 byla pozornost věnována efektu, který Charles Wheatstone poprvé publikoval a zveřejnil v roce 1843, můstkovému zapojení. Tento efekt je definován jako změna odporu v elektrickém vodiči vzhledem k mechanickému namáhání. Důvodů proč nebyla věnována pozornost, déle neţ 80 let, po této technické aplikaci bylo několik. Jedním z nich byla velmi malá změna odporu vodiče pod napětím, a proto Thomson (který vydal ohledně této aplikace nějaké články v roce 1856 (Obr. 7)) pouţil vysoce citlivý galvanometr, který je nevhodný pro všeobecné technické aplikace nebo pro vyuţití v průmyslu. Také jsou vhodné pouze pro měření statických procesů. Tyto a další poţadavky byly splněny aţ s příchodem elektronického zesilovače. (Karl Hoffmann, 1989) 19

20 Obr. 7 William Thomsonuv zkušební test zatíţení na změně elektrického vodiče pod mechanickým namáháním Vynálezců a vědců, kteří se danou tématikou zabývaly, bylo mnoho, a tak za zmínku stojí uvést ještě jména jako Edward E. Simmons, Arthur Claude Ruge a také německá společnost AEG, kteří dosáhli postupných vylepšení a zdokonalení. (Karl Hoffmann, 1989) 3.1 PRINCIP TENZOMETRU Základní definice pro tenzometr je elektrotechnická součástka, která měří mechanické napětí na povrchu součástky. Také, lze ale definovat jako snímač, jehoţ odpor se mění dle působící síly. Převádí sílu, tlak, pnutí, hmotnost apod. na změnu elektrického odporu, který pak můţe být změřen. (Hošek Petr, 2014) Základními informacemi o tenzometrech jsou, ţe kdyţ působí vnější síly na statické těleso, tak výsledkem jsou pnutí a deformační síla. Pnutí je definováno jako výslednicí vnitřních působících sil a tlaku. Deformační síla je definována při posunu a deformaci, jenţ nastala. (Omega tenzometry, 2015) Tenzometr je jeden z nejdůleţitějších prvků moderní techniky k měření mechanických veličin. Technický termín pnutí (povrchové napětí) obsahuje jak tahovou tak i tlakovou sloţku a rozdělují se na pozitivní a negativní. Proto jsou tenzometry vyuţívány pro snímání expanze i kontrakce. Deformace daného tělesa vţdy způsobeny nějakými 20

21 vnějšími vlivy (popř. vnitřním působením). Deformační napětí bývá často způsobeno silami, tlaky, momenty, teplem a strukturálními změnami v materiálu. V experimentální silové analýze, která počítá s celkovými hodnotami deformačního napětí, je nutné dodrţet určité podmínky. Poté se dá vyuţít tato analýza pro měření deformační síly přímo na povrchu zkušebního materiálu a také určit bezpečnost a dobu trvání. (Omega tenzometry, 2015) Mechanické napětí nelze měřit přímo, a proto se přepočítává ze změřené deformace. K tomu je nutná znalost modulu pruţnosti zkoumaného materiálu, při analýze plošné napjatosti také jeho Poissonova konstanta. Přepočet deformace na mechanické napětí se v praxi obvykle děje analogově, nastavením konstantního zesílení měřicího zesilovače, takţe uvedené skutečnosti nejsou příliš zjevné. Přístroje navenek udávají mechanické napětí, po překročení meze úměrnosti tedy jen fiktivní. Princip funkce tenzometru lze jednoduše vysvětlit, ţe vlivem zatíţení se materiál deformuje a výsledná deformace se projevuje i na povrchu materiálu (obr. 8). Tato změna se přenáší na tenzometr, který mění svůj odpor, jenţ je lineárně úměrný prodlouţení na povrchu materiálu. Obr. 8 Princip tenzometru 21

22 3.2 DRUHY TENZOMETRŮ Kovové Fóliové Za typický tenzometr se dá povaţovat nalepovací fóliový tenzometr (Obr. 9). První nalepovací tenzometr byl vyvinut v roce Skládá se z mříţkově uloţených vláknových vodičů (o průměru 0,025mm), které jsou zataveny na tenké podloţce a epoxidovém lepidlu nalepené přímo na povrchu materiálu. Kdyţ působí síla na povrch, je výsledkem změna délky povrchu a tím i nalepeného drátového odporu. Odpovídající elektrický odpor tohoto foliového odporu se lineárně mění s deformační silou. (Omega tenzometry, 2015) Obr. 9 Schéma fóliového tenzometru Folie a vrstva adhezivního lepidla musí mít stejnou roztaţnost a pracovat společně při přenosu napětí - pnutí a lepidlo musí také plnit funkci elektrické izolace mezi drátky tenzometru a povrchem. Kdyţ se vybírá tenzometr, musí se kromě citlivosti tenzometru na pnutí brát v úvahu i jeho stabilita a teplotní citlivost. Bohuţel většina vhodných materiálů pro tenzometrické snímače jsou také citlivé na teplotní změny a mají sklon měnit odpor s časem. Pro účely krátkých testů a zkoušek to nemusí mít význam, ale pro kontinuální průmyslové měření se musí zahrnout kompenzace na teplotu a kompenzace driftu. (Omega tenzometry, 2015) 22

23 Drátkové Pokud je vodič tenzometru pevně spojený s povrchem měřeného namáhaného objektu, tak má i stejné deformace jako objekt. Byly to jedny z prvních typů tenzometrů a k vidění jsou i dnes na některých domech. Pouţívají se pro vysoké rozdíly teplot (podloţka z azbestu + anorganické lepidlo). (Hošek Petr, 2014) Obr. 10 Drátkový kovový tenzometr Vrstvené Méně známé jsou vrstvené tenzometry, které se naprášením ve vakuu vytvoří na nosné destičce (obvykle z křemíku) aktivní vrstva. (Hošek Petr, 2014) Obr. 11 Vrstvený kovový tenzometr Polovodičové U polovodičových tenzometrů je stavba téměř stejná jako u kovových tenzometrů. Měřící část je sloţena z pásku (Obr. 12 a), jen několik desetin milimetru širokého a pár setin milimetru tlustého. Je připevněn k izolační nosné fólii (Obr. 12 b) a je opatřen spojovacími vodiči (Obr. 12 d). Diodovému efektu je předcházeno pomocí tenkého zlatého drátku (Obr. 12 c), který zajišťuje spojení mezi polovodičovým prvkem a spojovacím páskem. (Karl Hoffmann, 1989) 23

24 Obr. 12 Schématické znázornění polovodičového tenzometru Polovodičové tenzometry nejsou obecně pouţívány v experimentální analýze napětí z celé řady důvodu: Nelineární charakteristika pro měření s vysokými nároky na přesnost měření. Polovodičové tenzometry jsou v podstatě draţší neţ kovové. Pokud bychom chtěli dosáhnout vyšší citlivosti, tak nepříznivá teplota je závaţnější u polovodičů neţ u kovových a tyto účinky je potom těţší kompenzovat. Vzhledem ke křehkosti polovodičů je náročnější jejich manipulace. 24

25 4 VÝBĚR SNÍMAČŮ PODLE DRUHU MĚŘENÍ Při výběru správného a vhodného tenzometrického snímače síly bychom měli brát v potaz poţadované a důleţité parametry systému. Tyto parametry jsou: a) Celková hmotnost systému to je hmotnost celé sestavy, kterou dosáhneme sečtením maximálních hmotností měřených těles a tzv. mrtvé hmotnosti (hmotnost prázdného sila, taţného zařízení, platformy, nosné konstrukce, apod.). Vţdy ale uvaţujeme s nutnou rezervou alespoň 1,2 násobek. (Utilcell, ) b) Typ systému tím je myšleno, co a v jaké podobě budeme váţit (písek v silu, automobily na mostní váze, bedny na háku, apod.). Například pro typ systému jako je silo, zásobník anebo nádrţ stojící na nohou vybereme tlakový snímač (typu C16 obr. 13) případně střihový. Pro platformové váhy jsou určené snímače typu Single poit (obr. 13 typ PW), případně pro vícesnímačové platformy jsou vhodné ohybové (obr. 13 typ Z6). A pro závěsné váhy nejlépe vyhovují snímače typu taţné, tlačné (RSC obr. 13). Obr. 13 Vybrané typy snímačů značky HBM a jejich typický rozsah zatěţovacích sil 25

26 c) Počet snímačů je odvozen od konstrukčních poţadavků systému a celkové hmotnosti. V případě, ţe pouţijeme platformu, tak počet snímačů bude jeden (single point) nebo čtyři. V případě speciálního měření lze pouţít i dvojsnímačové platformy. U mostových vah je standartní počet čtyři nebo osm snímačů. Podobné to je i u nosičů stojících na nohou (sila, zásobníky, apod.). d) Prostředí ve kterém má systém pracovat. Ochrana osob proti dotyku nebo přiblíţení se k ţivým částem a proti dotyku s pohybujícími se částmi, a hlavně ochrana měřícího zařízení proti vniknutí pevných cizích těles a škodlivému vnikání vody. Označení této ochrany (krytí) se skládá ze dvou písmen IP, po kterých následují číslice, označující soulad s podmínkami. Krytí se vyrábí u tenzometrů standardně od IP 65 aţ po IP68. U vybraných druhů lze také provést úpravu pro pouţití v prostorech s nebezpečím výbuchu dle certifikace ATEX. (Utilcell, ) Protoţe se některé snímače pouţívají i v prostorách se zvětšenou teplotou prostředí, jsou vyráběny i tenzometry s větším teplotním rozsahem teplot ( C) neţ je standardní garantovaný rozsah v rozmezí od -10 do +40 C, jak to ukládá norma EN (rozmezí 50 C pro provozní teploty). V prostorech s agresivním prostředím se pouţívají snímače odolné proti destruktivnímu působení různých dezinfekčních, odmašťovacích nebo jiných agresivních chemikálii. Proti působení těchto látek se pouţívá krytí IP68 a snímače jsou vyrobeny z kvalitní nerezové oceli. Větším problémem samozřejmě bývají kabely, které je zapotřebí doplnit o dodatečnou izolaci (např. ocelovou flexi trubkou). (Utilcell, ) e) Ostatní parametry poţadovaná přesnost systému je údaj, který je závislí na mnoha faktorech. Jedním z nich je schopnost rozlišování minimální délky, vyhodnocení jednotky a zpracování jednotlivých dílků. Pro vyhodnocení minimálního počtu dílků na jednom snímači se dá uvaţovat, ţe se bude rovnat minimálnímu počtu dílků snímače. V případě, ţe se bude jednat o vícesnímačovou sestavu platí vzorec: 26

27 kde: v min minimální dílek jednoho snímače v minimální dílek celého systému N počet snímačů v systému Výstup a napájení snímače standardní snímače jsou napájeny napětím 5V, 10V a maximální napětí je 15V. Výstup ze snímače je standardně analogový (nominální citlivost je 2mV/V). Existují také snímače, které mají digitální výstup, je napájen napětím 7,5 aţ 15V a komunikuje skrz rozhraní RS-485. Pro účely, kdy je zapotřebí, aby snímač byl schopen měřit velmi rychle nebo měřit s netypickým průběhem. Takovéto snímače se skládají z plechové vaničky, ve kterém je uloţen snímač a obalen silikonovým olejem. Olej funguje jako filtr krátkodobých nárazů a jiných parazitních dynamických jevů a tím snímač stabilizuje, chrání a prodluţuje ţivotnost. (Utilcell, ) Materiály snímačů se vyrábějí z oceli (nerezu) nebo hliníku. Oba typy mají velice podobný tvar, přesnost, opakovatelnost a linearitu, ale to co mají odlišné, jsou mechanické vlastnosti, a to zejména odolnost proti přetíţení, úderům a únavě. Z finančního hlediska jsou výhodnější různé typy hliníkových snímačů. Tyto snímač mají také dobré vlastnosti, zejména přesnost a nízká hmotnost. Jejich nevýhoda oproti ocelovým je menší odolnost proti rázům a úderům. Snímače z hliníkových slitin, v případě, ţe se překročí limitní hodnota zatíţení, mohou být lehce deformovány a zpravidla se na nich objeví posun signálu. Hliníkové snímače jsou tedy citlivější na mechanickou únavu a dynamické zátěţe, které se projeví zkrácenou ţivotností snímače. Při pouţití těchto snímačů je nutné brát v úvahu pouţití ochranných prvků proti přetíţení a to buď dorazy anebo výběrem větší kapacity neţ bychom vybrali u ocelového snímače. Například, pokud bychom měli systém s více snímači, zvolíme vzhledem k financím moţnost hliníkové, avšak s moţnými problémy musíme počítat při návrhu systému měření. V průmyslu, kde se pouţívá menší počet snímačů, je z důvodu bezpečnosti zvolit snímače ze speciální oceli. (Utilcell, ) 27

28 5 METODIKA Jedním z prvních kroků pro navrţení konstrukce tenzometrické měřící hlavy bylo zjištění pracovního prostředí, ve kterém bude měření probíhat a následné vyhodnocení průběhu měření. Měření bylo navrţeno, ţe bude probíhat v uzavřené místnosti, která se musela odhlučnit, v nově vybudované hale MSR Engines ve Střelicích. V této místnosti se nachází pouze robotické rameno KUKA a speciální bazén pro testování surfu. Pracovní prostředí jsem vyhodnotil dle vlastností tenzometrů, jako agresivní prostředí, ve kterém by se sice neměl měnit teplotní rozsah (od 20 do 30 C), díky vestavěnému odvětrávání a klimatizaci, ale s ohledem na prostředí, ve kterém budou pracovat tenzometrické snímače, budou muset odolávat vodním ţivlům a to především vlnobití i případnému ponoření do vody. Proto jsem zvolil krytí tenzometru, kterému odpovídá IP67. Tenzometrické snímače jsem vybral typu single-point (více o výběru typu v kapitole single-point tenzometr). Po výběru snímače jsem začal s teoretickými výpočty síly, působící od prkna. Aby bylo moţné zjistit alespoň přibliţnou tahovou sílu na vodní hladině, musel jsem provést zátěţový test pomocí závěsných vah a popruhů. Z datových souborů o surfu jsem v programu SolidWorks zjistil celkový objem plavidla, z kterého jsem pomocí Archimedova zákona vypočítal statickou přítlačnou sílu. Při výpočtu jsem počítal s rozloţenými silami na jednotlivé čtyři části uchycení. Stanovené podmínky a prostředí měření bylo kritériem pro zvolení hliníkového profilu od firmy Amtek (MayTec). Vzhledem k rozsáhlým moţnostem firmy MSR Engines ve výrobě a vývoji se pro jednotlivé díly vytvořily programy pro CNC stroje na vyfrézování zahloubení pro šrouby. Hliníkové profily byly nařezány téţ ve firmě na pásové pile, na poţadovaný rozměr. K uchycení tenzometrického snímače ke konci robotického ramene byl vybrán původní díl, který slouţil jako deska k upnutí svařovací soustavy. Proto byla tato deska zkrácena, odlehčena a upravena pro přichycení snímače. Uchycení snímačů mezi sebou bylo řešeno duralovým materiálem, vyfrézovaným do poţadovaného rozměru, který jsem vymodeloval v CAD programu. U jednotlivých dílů, které byly vyráběny, jsem provedl zjednodušenou analýzu při zatíţení v SimulationXpress. 28

29 6 SINGLE POINT TENZOMETR Nejdůleţitějším prvkem pro navrţení a vytvoření konstrukce pro uchycení surfu bylo správné zvolení měřícího snímače. K tomuto výběru jsem přistoupil s velkou opatrností vzhledem k vysoké pořizovací ceně a snadnému přetíţení snímače. Po konzultaci s vedoucími pracovníků firem, které se podrobněji zabývají problematice ve váţícím oboru, jsem se rozhodl pro platformový tenzometr typu single-point. Konkrétněji jde o typ PWSE (Obr. 14), od firmy HBM. Z výpočtů působení sil jsem odvodil, jak velká bude celková působící síla na rameni a zvolil tenzometr s maximální kapacitou zátěţe 300kg. Dle normy OIML jsou všechny tenzometry naddimenzované, neţ je psaná jejich maximální kapacita, ale i přesto je nutné, aby byla dodrţena bezpečnost a zajistil se mechanický doraz proti přetíţení. (HBMdoc PWSE, 2016) Cena tohoto snímače činí Kč s DPH. Obr. 14 Tenzometrický snímač PWSE od firmy HBM 6.1 TECHNICKÉ A BEZPEČNOSTNÍ DOPORUČENÍ Technickému a bezpečnostnímu doporučení by se mělo věnovat dostatek pozornosti. Během transportu a montáţe je třeba zacházet opatrně, jsou to velmi přesná a citlivá měřidla. Následný pád na podlahu nebo jiný náraz můţe znehodnotit snímač. Během samotné montáţe i v provozu je lepší se vyhnout mechanickému přetíţení snímače. Bezpečná a bezchybná funkce snímače je podmíněna bezpečným transportem, správným usazením a montáţí stejně jako dohled při provozu a vhodnou údrţbou. Tudíţ osoba, která je zodpovědná za montáţ, nastavení a údrţbu musí být seznámena s technickými a bezpečnostními doporučeními. 29

30 6.2 MONTÁŢ PLOŠINY A ELEKTRICKÉHO PŘIPOJENÍ Snímač je určen k měření kolmého zatíţení k rovině upevňovacích ploch snímače působící kdekoliv ve čtverci (obdélníku) leţícím na této rovině. Rozměry této roviny u PWSE snímače jsou 800x800 mm. Montáţ snímače musí být technicky upevněna tak, aby výstupní kabel byl na straně snímače montované k nepohyblivé části váhy. Pokud by byl snímač namontován opačně, můţe dojít k ovlivnění měřeného zatíţení, tuhostí kabelu. Váţící plošina by měla být montována tak, jak je znázorněno na obr. 15. Střed plošiny leţí ve svislé ose měřícího systému snímače. Zatěţováním snímače v opačném směru můţe vést k chybám měření, k poškození snímače nebo upevňovacích šroubů. Obr. 15 Montáţ plošiny k základní desce Tento snímač je vybaven tenzometrickým plným můstkem, který lze připojit k měřícím zesilovačům s nosnou frekvencí (střídavé napájení můstku), nebo k zesilovačům stejnosměrným určeným pro tenzometrické snímače. K připojení lze pouţít čtyřvodičovou nebo šestivodičovou variantu (Obr. 16). Čtyřvodičové zapojení se pouţívá, pokud je poblíţ nějaká vyhodnocovací jednotka (např. obchodní váha). Dvěma vodiči se napájí 30

31 můstek ze zdroje napětí a dalšími dvěma vodiči se snímá signál, který je přímo úměrný změně síly působící na snímač. Případné další dva vodiče slouţí jako měřící vodiče napájecího napětí přímo u snímače a tím umoţňují koordinovat změnu napájecího napětí vyhodnocovací jednotkou. Pro efektivnost je tedy nutné mít speciální vyhodnocovací elektroniku pro tyto vodiče (SENSE). V případě, ţe snímač je 6-ti vodičový a nepouţívá se tato elektronika, potom je nutné spojit napájecí vodiče a SENSE vodiče. A to vţdy +Napájení s +SENSE a -Napájení s -SENSE. Pokud budeme napájet snímač 10V ss a nominální citlivosti snímače bude 2 mv/v, potom maximální výstupní napětí je 20mV (2mV/V x 10V = 20mV). Jelikoţ přesné citlivosti 2mV/V nemusí být docíleno, snímače jsou dodávány s informací o hodnotě citlivosti (např. 1,9855 mv/v) takţe lze znát přesně maximální výstupní napětí ze snímače, samozřejmě, pokud se nezmění délka vodiče, protoţe tato citlivost je také závislá na tomto parametru. Kabel snímače je stíněný, a je nutno vědět, ţe na straně snímače, stínění není zapojeno na kostru snímače. Přesto, na straně vyhodnocovací jednotky je nutno dbát na správné zapojení stínění, protoţe při tak malém signálu ze snímače, i slabé indukce do vodiče mohou znehodnotit měření. (Snímače sil - dokumentace, ) Obr. 16 Šestivodičové zapojení tenzometrického snímače 31

32 7 ZÁKLADNÍ VÝPOČTY Pro základní určení maximální kapacity tenzometrického snímače bylo zapotřebí zjistit jakou hmotností, resp. jakou silou, bude prkno působit na konec robotického ramene a jakým směrem. Vzhledem k okolnostem, ţe u zkoušeného produktu tyto hodnoty nejsou nijak naměřené (zatím) na vodní hladině, musím tedy vycházet z čistě teoretických hodnot. Abych se přece jen mohl dopočítat poţadovaného výsledku, bylo mě umoţněno provést kontrolní měření pomocí závěsných vah. Ze zkoušky vyplynulo, ţe při postupném zvyšování otáček turbíny se konečná síla Jet-surfu pohybovala v rozmezí od 40 do 50kg. Maximální síla, která působila při prudším přidání plynu, byla aţ 60kg. 7.1 NAMĚŘENÉ HODNOTY Tahová síla Pro bezpečnější provoz jsem vybral jako základní, maximální tahovou sílu F t = 600N. Na základě reálně naměřené hodnoty na hladině. Na jednom konci lana bylo přivázáno prkno a na druhém konci lana byla pevně přichycena měřící váha spojená se závaţím, které se nacházelo na pevnině (Obr. 17). Obr. 17 Měření tahové zkoušky v terénu 32

33 Při prvním měření byla pouţita pouze jedna váha (Obr. 18), která naměřila okolo 50kg (tj. maximální kapacita). Z důvodu niţšího rozsahu maximální kapacity závěsné váhy byly pouţity dvě závěsné váhy, a tím se docílilo větší přesnosti v taţném směru (Obr. 19), které jiţ byly schopny naměřit větší zatíţení. Obr. 18 Měření pomocí jedné závěsné váhy Obr. 19 Měření dvojicí závěsných vah s maximální naměřenou hodnotou Hmotnost Hmotnost surfu byla měřena na všech třech druhů prken, z toho hmotnost dvou prken se shodovala, proto zde jsou uvedeny hodnoty klasického a závodního surfu. Prkno se zavěsilo v přední a zadní části (Obr. 20). Váţení hmotnosti bylo měřeno dvojicí závěsných vah typu OCS-F od firmy Zeman Váhy. Obr. 20 Měření hmotnosti dvojicí závěsných vah 33

34 Měření probíhalo ve 3 stavech a v kaţdém stavu se váţilo třikrát, aby se předešlo chybám měření: Stav 1 váţí se prkno bez nádrţe (z informativního hlediska pro pozdější výpočet při spotřebování veškerého paliva) Stav 2 do prkna se vloţí naplněná nádrţ s palivem (objem cca 2l) Stav 3 byl měřen s náklonem přední strany prkna, pro určení polohy těţiště Naměřené hodnoty klasického surfu (jednotlivé hodnoty hmotností jsou zprůměrovány): Tabulka 1 Naměřené průměrné hodnoty hmotností klasického surfu Naměřené hodnoty klasického surfu [kg]: Stav 1 Stav 2 Stav 3 Přední část 8,55 9,58 10,04 zadní část 8,6 9,6 9 Celková hmotnost: 17,15 19,18 19,04 Tabulka 2 Naměřené průměrné hodnoty hmotnosti závodního surfu Naměřené hodnoty závodního surfu *kg+: Stav 1 Stav 2 Stav 3 Přední část 8,4 9,3 9,7 zadní část 10,06 11,24 10,92 Celková hmotnost: 18,46 20,54 20,62 Z naměřených hodnot vyplívá průměrná hmotnost klasického surfu bez palivové nádrţe je 17,15kg a s naplněnou nádrţí je hmotnost 19,11kg. Tudíţ hmotnost dané nádrţe jsou necelé 2kg. Oproti klasickému surfu je patrné, ţe závodní typ je o 1,3 kg těţší (bez nádrţe). A zkoušená nádrţ u závodního surfu měla hmotnost 2,2kg. 34

35 Obr. 21 Měření hmotnosti u klasického surfu Těţiště Těţištěm tělesa je působištěm výsledné tíhové síly, působící na toto těleso. V mém případě se jedná o jednotlivou hmotnost na koncích prkna m 1 a m 2. Coţ je velikost jednotlivých tíhových sil F 1 a F 2 dle vzorce F = m g (kde g je 9,8127 m/s² tíhového zrychlení). Součet těchto sil musí dát hodnotu naměřenou z celkové hmotnosti prkna. Na obrázku 22 jsou znázorněny základní rozměry klasického surfu, pro výpočet těţiště, ve schématu (Obr. 23). Vypočítáme ho tak, ţe si zvolím osu otáčení v bodě 2, tj. na konci prkna a za pomoci momentové podmínky rovnováhy tělesa zjistíme vzdálenost bodu x t těţiště od osy otáčení. 35

36 Obr. 22 Základní rozměry klasického surfu Úhel nakloněné roviny α je 6,69 Délka nakloněné roviny je 1773 mm. 36

37 Obr. 23 Grafický rozbor silového působení na těţiště Výsledná vzdálenost těţiště byla spočítána pro klasické prkno, z důvodu nepatrných rozdílů polohy těţiště oproti závodnímu prknu, které má posunuté těţiště o necelých 50mm směrem k zadní části. Vzhledem k faktu, ţe váţení neprobíhalo, tak aby poloha 37

38 váţících bodů byla v jedné rovině, bylo zapotřebí počítat se situací nakloněné roviny o úhel, který je dán tvarem klasického surfu. Vypočítanou hodnotu vzdálenosti těţiště od konce prkna jsem pro kontrolu narýsoval v programu SolidWorks jako skicu a graficky vyvodil, ţe se těţiště pohybuje v rozmezí od 790 do 850mm od konce surfu (připočítaná byla i hodnota u raceového surfu a odchylky měření). S touto vypočítanou hodnotou budu dále uvaţovat při návrhu konstrukce, na umístění středové osy platformy u tenzometrického single-point snímače a polohy umístění celkové konstrukce vůči namáhání robotickému ramenu. Výpočet je stanoven pro prkno v klidném stavu, tedy bez jakéhokoliv vnějšího, či vnitřního zatíţení. Výsledek musíme brát jako teoretický. Těţiště se bude určovat experimentálně, aţ dle zavěšení. Pro tento případ jsem vybíral materiál a druh profilu konstrukce pro snadné a bezpečné manipulování a posouvání těţiště dle potřeby a výsledků z tenzometrických snímačů. 7.2 STATICKÁ VZTLAKOVÁ SÍLA Podle Archimédova zákona, který říká, ţe těleso ponořené do kapaliny, které je v klidovém stavu, je nadlehčováno silou rovnající se tíze kapaliny stejného objemu, jako je ponořená část tělesa. Tato definice a zákon platí pro statiku a tekutiny, které jsou v rovnováze. U proudící tekutiny působí další síly odporové a dynamické vztlakové. Měření, má probíhat během dynamického působení sil kapaliny, která nám je dosud neznámá. Pro odhad této síly je nutné vypočítat alespoň statickou vztlakovou sílu, která bude působit na dno surfu. Tuto sílu z bezpečnostních důvodů vynásobím alespoň 2 krát. Datové informace v podobě souborů programu SolidWorks o přesných rozměrech nebo více druhů surfů, neţ jen klasického, bohuţel firma MSR Engines nemá nebo nepředá (z důvodu bezpečnosti a know-how). Z tohoto důvodu jsem odkázán jen na zdroj klasického surfu a výsledné hodnoty budou následně naddimenzovány. Z poznatků z praxe ve firmě, jsem zpozoroval, ţe surf s motorem, nadrţí a dalšími součástkami, které je poloţené na hladině je v klidovém stavu ponořené do hloubky pouze necelých 60 mm (viz Obr. 24). 38

39 Obr. 24 Objemové těleso ponořené v kapalině Funkcí odebráním vysunutí, a přidáním plného materiálu, jsem získal objem tělesa ponořeného do kapaliny V = 0,0211 m 3, coţ odpovídá pro rovnováhu hydrostatické vztlakové síle. Pro kontrolu, lze vypočítat, vztlakovou sílu, při stejné hustotě kapaliny a ponořeného tělesa ( ). 7.3 ROVNOVÁHA SIL Úlohou je najít výslednici soustavy sil, jejichţ působištěm je společný bod O a leţí v jedné rovině z = 0. Stav, kdy je surf v klidné poloze je jedna z metod měření, kdy se bude testovat bez zátěţe. Pro názorné a teoretické rozloţení síly se vypočítá ze zjištěných hodnot. Hmotnost celého plováku i se všemi prvky, včetně plné nádrţe je: kde: m c je celková hmotnost vybaveného plováku klasického typu Naměřená tahová síla je (z důvodů bezpečnosti počítám s vyšší hodnotou) a z předchozího vzorce doplníme statickou vztlakovou sílu. Výsledná síla bude mít stejný směr jako síla tahová a to z bodu těţiště, který jsem si zvolil, s menším druhým směrem vzhůru. Z grafického výpočtu je patrné, ţe výslednice síly má hodnotu F = 600,28 N (Obr. 25). 39

40 Obr. 25 Grafický výpočet výslednice sil Toto řešení si ověřím početně. Jednotlivé síly rozloţím dle kartézského souřadného systému a příslušné sloţky sečtu. Výsledná síla v ose y bude: Dle Pythagorovy věty, která popisuje vztah, mezi délkami stran pravoúhlého trojúhelníku, jsem vypočítal výslednici sil F. Tato věta nám říká, ţe obsah čtverce nad přeponou pravoúhlého trojúhelníku je rovna součtu obsahů obou čtverců nad odvěsnami. 40

41 8 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ V CAD SYSTÉMU SOLIDWORKS Software SolidWorks je software pro automatizaci strojírenského navrhování, který vyuţívá známé uţivatelské rozhraní Microsoft Windows. V tomto softwaru jdou vytvořit modely, které se skládají z trojrozměrné (3D) geometrie a tím umoţňuje strojírenským inţenýrům rychlé skicování myšlenek, experimentování s prvky a kótami i vytváření modelů a podrobných výkresů. Model zpravidla začínám skicou, poté vytvořím základnu a k ní přidávám další prvky. Také se můţe začít pomocí importovaného dílu, geometrie povrchu nebo těla. Tyto postupné návrhy lze zdokonalovat přidáváním, úpravami nebo změnou prvků. Vzájemná spojitost mezi jednotlivými díly, sestavami a výkresy zajišťuje, ţe pokud provedu změnu v jednom dokumentu nebo pohledu, tak se automaticky uskuteční tato změna i ve všech ostatních dokumentech a pohledech. V procesu navrhování, můţu kdykoliv vygenerovat výkres dílu nebo sestavy. Výkresy jsou vytvářeny z modelů, čímţ dosáhneme rychlejšího vygenerování oproti kreslení čar a tyto modely si můţeme otestovat na chyby v návrhu, případně je jiţ po vygenerování znovu upravovat. Výkresy vytváří aplikace solidworks a postup je tedy efektivní. Můţeme přímo do výkresu vkládat kóty a popisky ze skic a prvků modelu. Pokud provedeme změnu tvaru nebo rozměru modelu, na výkrese se nám změna také provede, přesně a jednoduše. V tomto softwaru je moţné dokoupit i doplňkové moduly určené pro daný obor vývoje, případně i výroby, jako je tomu např. SolidCam, pomocí kterého lze naprogramovat CNC obrábění. Jednotlivý postup procesu konstrukce je vysvětlen v dalších kapitolách. (Nápověda pro solidworks, ) 41

42 8.1 POČÁTEČNÍ NÁVRH Zjednodušený návrh konstrukce tenzometrické měřící hlavy (koncového efektoru), z kterého jsem vycházel, lze vidět na obr. 26, i s nosnou konstrukcí. Uchycení plováku bylo pouţitelné pouze jedno řešení. Na přední a zadní část plováku, v místě, kde se šířka zuţuje, budou z 3D laserové plastové tiskárny vytištěny zachycovače. Ty budou polepeny měkkým pěnovým materiálem, aby plovák nebyl poškozen. Nabízela se i varianta upnutí pomocí přísavek. Ty by ale poničili polepovací fólii, kterou je plovák potaţen. Obr. 26 Zjednodušené schéma konstrukce tenzometrické měřící hlavy 42

43 8.1.1 Snímač síly U2B Návrhů na konstrukční řešení tenzometrické hlavy jsem měl více, ale pro reálnější rychlejší a hlavně finančně přístupné jsem vybral dva návrhy. Tento počáteční návrh je zaloţen na jiném druhu snímače. Jedná se o snímač síly. Snímače síly od firmy HBM jsou určené zejména ke snímání statické či dynamicky se měnící tahové, tlakové i tahotlakové síly s prakticky nulovým vlastním prodlouţením snímače. Firma HBM nabízí širokou škálu rozsahů a mechanických provedení. Typicky se pouţívají v testech pro přímé vyvození síly při materiálových zkouškách nebo hlídání kvality procesů tváření, či lisovaných spojů. Konkrétně byl vybrán snímač U2B (Obr. 27), taho-tlakový. Obr. 27 Tenzometrický snímač sil U2B od HBM Dle vypočítaných hodnot silové zátěţe pro daný směr jsem zvolil nejniţší rozsah snímače, který se vyrábí, od 500 N do N. Tím jsem dostal rozměry potřebné pro zjednodušenou konstrukci v programu solidworks (Obr. 28,29). Důleţitým faktorem, kromě rozměrů, je také hmotnost tohoto snímače, která je 0,8 kg. Cena těchto typů snímače se pohybuje v rozmezí od aţ po Kč. 43

44 Obr. 28 Rozměry snímače UB2 Obr. 29 Tenzometr U2B pro rozsah sil od 0,5-5 kn Lineární vedení Tento typ snímače přenáší pouze síly působící v ose závitu. Z tohoto důvodu je nutné, pohltit boční síly, které vyváří plovák dynamickou jízdou po hladině. Tenzometrický taho-tlakový snímač musí zaznamenávat sílu ve dvou osách (bereme-li v úvahu, ţe ve svislé ose působí dvěma směry), proto musí být efektivně zajištěn pohyb pro kaţdý tenzometr zvlášť. Zajištění proti nevyţádanému pohybu jsem zajistil lineárním kuličkovým vedením od firmy HIWIN a T.E.A. Technik. Lineární vedení typu HG / EG se čtyřmi kuličko- 44

45 vými oběţnými drahami mají vysokou únosnost a tuhost, díky optimalizaci kruhového oblouku oběţné dráhy a jejich konstrukcí. Vypadnutí kuliček zabraňuje ochranná lišta. Vozíky jsou vybaveny různými moţnostmi těsnění a maznic. Výhody tohoto lineárního vedení je bezvůlové provedení, vysoká přesnost a moţnost vysokého zatíţení ve všech směrech. Vozíky lze zaměnit za jiný typ s podmínkou stejného rozměru pro kolejnici. Vozík má dále nízké třecí ztráty díky dvou bodovému kontaktu. Nevýhodou lineárního vedení, respektive lineárních vozíků je stav při kontaktu s vodou. Vozíky se standardně nevyrábí v nerezovém provedení, atak i díky mazání, časem kuličky zkorodují. Byla by ještě moţnost v provedení miniaturního lineárního vedení, které by mělo být v nerezovém provedení, ale cena těchto vozíků se z finančního hlediska nevyplatí. Obr. 30 Konstrukce lineárního vozíku typu HG/EG Z hmotnostního hlediska by provedení lineárního vedení bylo přijatelné. Hmotnost jednoho vozíku je kolem 0,5 kg, nerezové kolejnice 3 kg/m. První návrh koncového efektoru jde vidět na obrázku 29 a 30. Je zde patrné, ţe kompaktnost a sloţitost provedení není ideální. Finanční a časová náročnost pro výrobu jednotlivých dílů by byla velmi neefektivní. 45

46 Obr. 31 První varianta koncového efektoru s U2B Obr. 32 První varianta konc. efektoru s U2B V pozadí (na obr. 32) je vidět i část přímé upínky, která je alternativou pro přichycení plováku ke konstrukci. 46

47 Jako varianta, která by byla přijatelná, je konstrukce se dvěma podélnými příčkami (Obr. 33). Jednotlivé díly, které je moţné zakoupit, jsou vymodelovány ze skic, které sem narýsoval z technických listů, přiloţených na webových stránkách daných firem nebo ze zaslaných datových souborů na . Měření vztlakové dynamické síly by měřil tenzometrický snímač z obrázku 33, ve své ose. Pohyb nahoru a dolů by zajišťovala dvojice nerezových kolejnic s lineárními vozíčky (lze vidět na obr. 34). Tahovou sílu by měřil tenzometr z obrázku 34 v podélném směru, který bude zajišťovat druhá dvojice kolejnic a vozíčků z obrázku 33. Obr. 33 Upravený počáteční návrh měření vztlakové síly a hmotnosti plováku Obr. 34 Koncový efektor mezi dvěma příčkama - měření tahového napětí 47

48 8.1.3 Materiál konstrukčních prvků Hlavním kritériem pro určení materiálu nosné konstrukce je uţitečná nosnost robotického ramene KUKA 150. Uţ v prvním návrhu jsem volil profilový systém MayTec od firmy Amtek. MayTec je německý výrobce hliníkového systému (Obr. 35). Jejich profily lze kombinovat mnoha způsoby. Hlavní výhodou toho profilového systému je jeho lehké provedení a přitom vysoká pevnost, zajištěná montáţními spojkami. Tyto spojky jsou snadno smontovatelné (pouhých několik sekund) a je moţné zatíţit silou, aţ N. Přitom jsou odolné vůči vibracím. Hliníkové profily MayTec se vyrábějí v provedení v rozměrových řadách 16, 20, 30, 40, 45, 50 a 60. Výhody hliníkových profilů jsou: vysoká flexibilita, vysoká nosnost při nízké vlastní hmotnosti, kompatibilitu s jiným profilovým systémem MayTec, jednoduchost montáţe (cca 5 s na spojku), systémovou dráţku pro upevnění přípravku a konstrukčních komponentů, odolnost vůči korozi a tím i minimální údrţba, moţnost svařovat profily (výrobce tento poznatek neudává jako přípustný). (Produktuebersicht_ cz_b, 2013) Obr. 35 Profilový systém MayTec 48

49 Druhým řešením, by bylo nahrazení hliníkového profilu MayTec, hliníkovým jeklem (Obr. 36). Jednotlivé spoje mezi profily by byly svařeny. Svařením bohuţel nedosáhneme poţadované přesnosti pro následující montáţ jednotlivých dílů kolejnic s vozíky. Při svařování by se materiál mohl natočit a následují manipulace, by nebyla moţná. Výhodou jeklového provedení je niţší hmotnost konstrukce a niţší náklady na nákup materiálu. Při porovnání s hliníkovým profilem od firmy MayTec, je vyšší pravděpodobnost pruţnosti při dynamickém namáhání. Obr. 36 Konstrukce tenzometrického snímače z hliníkového jeklu Pokud bychom uvaţovali o moţnosti vyuţití rozloţení sil přenášených silovými snímači a pouţili hliníkový profil MayTec, pak by musely být přidány doplňkové prvky v podobě broušených (případně ofrézovaných) desek pud kolejnice lineárního vedení. Po zkušenostech během práce ve firmě MSR Engines, jsem zjistil, ţe lineární vedení je určitým krokem k mnohému vyuţití. Avšak v tomto případě jde předpovídat zkorodování loţiskových kuliček. Firmy prodávající tyto produkty garantují pouze skoro bezvůlové usazení. Toho skoro se s dobou ţivotnosti časem stane vůlí, která na takto citlivém snímači bude ukazovat škodlivé hodnoty. 49

50 8.2 KONEČNÉ ŘEŠENÍ KONSTRUKCE TENZOMETRICKÉ MĚ- ŘÍCÍ HLAVY Krátké shrnutí hlavních částí konstrukce: Hlavní díl konstrukce je tenzometrický snímač typu single-point, konkrétně PWSE s nosnou kapacitou 300 kg. Tenzometrické snímače budou pouţity dva kusy. Jeden je určený pro váţení hmotnosti plováku a vztlakové síly. Druhý pro měření tahové síly. Připojení snímačů bude pomocí vícekolíkového průmyslového konektoru (šestivodičový). Zajištění bočních směrů působením plováku na tenzometry nejsou eliminovány ţádným lineárním vedením. Tenzometr neţádoucí momenty přepočítává a výstupem je tedy zatěţující kolmá síla na platformu. Bezpečnostní dorazy jsou zajištěny závitovými tyčemi M8 a kontra maticemi. Materiál nosné konstrukce je tvořen ze systému hliníkového profilu, značky MayTec. Díly, upevňující tenzometry k nosnému rámu, konci robotického ramene a mezi snímači samotnými jsou z hliníkové slitiny. Uchycení plováku je na čtyřech bodech, na krajích plováku, v místech zúţení. Catchery jsou vyrobeny v 3D tiskárně z polycarbonátu. Dva boční catchery jsou pevné a zbylé dva jsou upevňovací. Zabezpečení plováku je provedeno dotaţením mechanické brzdy na vodící nerezové tyči. Konstrukce je doplněna o podpěru sací hadice výfukových plynů. 50

51 Z náhledu na celkovou konstrukci je zřejmé, ţe uchycení surfu je ve čtyřech bodech (Obr. 37). Tudíţ síly, působící na konstrukci, se rozkládají na čtyři body u vztlakové síly a na dva body u tahové síly. Obr. 37 Náhled celkové konstrukce tenzometrické měřící hlavy s plovákem Tahová síla bude působit na přední uchycení plováku a teoretický statický moment bez zatíţení se dle vzorce vypočítá: kde: a je maximální vzdálenost od středu tenzometrického snímače po střed uchycovače plováku (dy) Tahová síla se rozdělí na poloviny, pokud bychom chtěli počítat deformaci catcheru. V tomto případě to nebudeme potřebovat. 51

52 Grafické znázornění na obr. 38. Obr. 38 Grafické znázornění vzdálenosti působiště tahové síly na tenzometrický snímač Výsledná síla v ose y, vypočítaná ze statické vztlakové a tíhové síly se rozloţí na hlavní nosnou konstrukci. Bod upevnění tenzometru O je dán v ose těţiště plováku. Toto těţiště se bude během dynamických změn měnit. Rozbor momentových sil je na obrázku 39. Obr. 39 Rozloţení výsledné síly v ose y 52

53 Z momentové rovnováhy sil určíme sílu: Montáţ tenzometrických snímačů Ke koncovému prvku robotického ramene pouţijeme materiál, který byl součástí jeho dřívější práce (Obr. 40). Desku, ze slitiny hliníku, upneme do CNC a vyfrézujeme na tvar (Obr. 41) potřebný k montáţi vodorovného tenzometru. Obr. 40 Původní deska robota Obr. 41 Vyfrézovaná deska 53

54 Z doporučeného návodu pro montáţ snímačů je vodorovný tenzometr upevněn k základové desce stranou, kde je vyveden kabel. Základová deska je odsazena o distanční podloţku, která je její součástí (pro větší pevnost). Střed měřící platformy je ve středu osy konce robotického ramene. V základové desce z původního tvaru byly ponechány otvory pro přišroubování k robotovi a středový otvor s nábojem pro vystředění. Přidány byly závitové díry M8 pro stejný rozměr závitových tyčí, které slouţí jako bezpečnostní dorazy (Obr. 42,43). Vzdálenost dorazů je nastavitelné kontra maticemi. Volbu závitové tyče a kontra matic jsem zvolil pro jednoduchost, přesnou a polohovací vzdálenost a niţších nákladů. Obr. 42 Detail zapojení tenzometrických snímačů Obr. 43 Detail zapojení tenzometrických snímačů 54

55 Snímače jsou mezi sebou upevněni šrouby M10 DIN 7984 s nízkou hlavou a pruţnou podloţkou DIN 128. Modely tvaru T jsou vyfrézované z duralových kvádrů (136x65 a 150x60). Hmotnost je vypočítána z programu solidworks, po zadání materiálu slitiny hliníku 6061, v rozmezí 450 aţ 490 gramů. Díl, spojující svisle uloţený tenzometr, je k hliníkovému systému MayTec přišroubován třemi šrouby M8 a speciální pruţnou maticí (Obr. 44). Tato matice má vysokou pevnost a při povolení lze s celou konstrukcí pohybovat v podélném směru v dráţce profilu, atak nastavit potřebnou vzdálenost těţiště snímačů. Obr. 44 T-matice s pruţinou Nosná konstrukce Profil hlavní nosné konstrukce je vybrán o rozměrech 80 x 40 od jiţ zmíněné firmy MayTec (Obr. 45). Zajistí se tím větší pevnost namáhání v ohybu a moţnost přidávání doplňujících měřidel, drţáků a dalšího příslušenství. Obr. 45 Hliníkový profil 80x40 MayTec 55

56 Uchopovací systém je tvořen standardním profilem téţe značky a typu s rozměrem 40 x 40. Na obrázku 46 je znázorněn upínací systém hliníkových profilů přes dráţku. Do profilu je navrtán otvor pro vloţení kříţového čepu, do kterého je vsunuta kotva (viz obr. 47). Obr. 46 Spojení catcheru s hliníkovým profilem Obr. 47 Spojovací systém MayTec Uchopovací prvek catcher Catcher (ţlutý) je vyroben v 3D tiskárně z polykarbonového materiálu. Firma MSR Engines tuto tiskárnu vlastní a tak mají přímo moţnost si tento model vlastnoručně vyrobit. Vývojové oddělení má tak moţnost vytvořit další typy catcherů pro různé typy surfů a v případě poškození je lze nehradit vylepšenou verzí. Tato verze je prozatím pouze orientační a bude se vytvářet přímo ve firmě, kde se kombinací objemu (přidání/odebrání) vymodeluje přípravek pro daný typ surfu. Obr. 48 Orientační tvar catcheru 56

57 8.2.4 Systém uchycení a zajištění plováku Z navrhovaných reálných moţností: Pohyb uchycení přes páku a zajištění pohybu přímou upínkou (konkrétně zvolený typ 320 od JC-metal) Pohyb zajištěn lineárním vedením (nejlépe opět nerezovým) a zajištění pohybu mechanickou brzdou pro kolejnice od značky HIWIN Pohyb po vodící tyči (nerez) kuličkového pouzdra v hliníkovém domečku a zajištění polohy plováku mechanickou brzdou pro vodící tyče Při výběru varianty systému jsem se drţel podmínek provozu měření, tj. dynamické namáhání, vodní vlnobití (případné ponoření pod hladinu), jednoduchost a moţnost rychlého uchycení. Dalším ovlivňujícím faktorem byla finanční náročnost jednotlivých dílů, jejich hmotnost a tuhost (nulová vůle). První varianta z důvodů sloţitého pákovitého mechanizmu a nízké tuhosti, byla zamítnuta. Z nabídek jednotlivých firem, prodávající lineární vedení (tabulka 3) a vodící tyče linearsetu (tabulka 4), byla vybrána třetí varianta, vodících tyčí (Obr. 49). Jedním z důvodů pro toto řešení upínacího systému je nerezové provedení vodící tyče a kuličkového pouzdra. Podpěry a domky pro uloţení loţisek jsou ze slitiny hliníku. Tabulka 3 Ceník vybraných typů lineárního vedení Lineární vedení počet kusů Cena bez DPH *Kč+ Poznámka vozík (nenerez)- HGW30CCZAC Od firmy T.E.A. Technik vozík (nerez)- PAU Od firmy VK Loziska kolejnice - P1U 420mm 4660 Od firmy VK Loziska kolejnice - HGR 30 R Od firmy T.E.A. Technik mechanická brzda pro kolejnice Odhadovaná cena u HIWIN 57

58 Z tabulky 4 byla vybrána varianta vodící nerezové tyče o průměru 25 mm a délce 300 mm v počtu dvou kusů, od firmy TEA Technik. Tato tyč je nevrtaná, stejně jako podpěra vodící tyče o délce 500 mm. Podpěra bude rozpůlena pásové pile a navrtána (vyfrézována) s vodící tyčí na námi zvolený rozměr pro přišroubování k hliníkovému profilu (80x40). Tím se ušetří nějaké finance a pro zajištění pohybu firma koupí mechanickou brzdu vodících tyčí od firmy Hiwin. TEA Technik, mi jako jediná z firem nabídla provedení linearsetu v nerezu (za vcelku rozumnou cenu). Celkové náklady na systém zajištění plováku jsou 9406,- Kč bez DPH (v ceně jsou jiţ započteny manipulační náklady, které představují obal, clo, odbavení a dopravu do T.E.A. TECHNIK s.r.o.). Tabulka 4 Ceník vybraných vodící tyčí, podpěr a linearsetů Systém vodících tyčí (o průměru 25mm) a linearsetů počet kusů Cena bez DPH *Kč+ Poznámky Mechanická brzda pr Hiwin podpěra - vrtaná 600mm 692 Matis linearset - ocel (ne nerez) Matis vodící tyč - nerez, nevrtaná 2x300mm 672 TEA Technik podpěra tyče - nevrtaná 500mm 550 TEA Technik linearset - nerez (+ pouzdro) TEA Technik vodící tyč + podpěra - vrtané TEA Technik vodící tyč 2x300mm 550 Exvalos podpěra - vrtaná 2x240mm 700 Exvalos vodící tyč + podpěra - vrtané Exvalos Obr. 49 Systém uchycení plováku 58

59 Podpěra vodících tyčí Podpěra vodících tyčí typu FTSN (Obr. 50) je ze slitiny hliníku. Svými rozměry je pro uchycení ideální typ FTSN25, které jsou d = 25 mm, A = 57 mm, H = 36 ± 0,2 mm, H 1 = 6 mm. Otvory pro přišroubování budou ve třech místech pro větší stabilitu a jejich rozteč A 1 = 40 mm, tak aby matky přesně zapadly do dráţky. Minimální délka jednoho kusu je 240 mm. Obr. 50 Podpěra vodících tyčí Obr. 51 Rozměry podpěry Vodící nerezová tyč Vodící tyč typu WRB je z nerezového materiálu X46Cr13. Povrch je zakalen do hloubky 1,5 1,7 mm (Rht DIN 50190) a broušen. Tvrdost je 55 ± 3 HRC. Na obrázku 50 je pro průměr tyče d = 25 mm tolerance h6. Kruhovitost t 1 = 6 µm, rovnoběţnost t 2 =9 µm, rovinnost t 3 = 0,10 mm/m a hmotnost je 3,85 kg/m. Obr. 52 Vodící nerezová tyč Linearset otevřený Lineární set typu SOUB je sloţen z kuličkového pouzdra řady UB (toto kuličkové loţisko bude nahrazeno v nerezovém provedení) a domečku ze slitiny hliníku. Kuličko- 59

60 vé pouzdro je obousměrně utěsněné a v otevřeném provedení (pro podpěru vodící tyče FTSN). Obr. 53 Linearset otevřený typ SOUB Manuální brzda Manuální brzda vodících tyčí, od firmy Hiwin, je kompatibilní s kruhovými tyčemi různých výrobců. Dotaţení tyče zajišťují plovoucí čelisti zaručující symetrické upnutí. Těleso brzdy je vyrobené z chemicky poniklované oceli. Dimenzováno je aţ upnutí. Pro průměr tyče 25 mm je přídrţná síla brzdy 1200 N a upínací moment 7 Nm. Obr. 54 Manuální brzda vodících tyčí Bezpečnostní doraz pro náhlé vyjetí celého linearsetu i s brzdou se bude řešit dle dohody ve firmě o moţných prostředcích. Z mé strany navrhuji vybrání dráţky pro pojistný krouţek na jednu stranu. Pro druhou stranu by nemělo být zapotřebí dorazu, ovšem z bezpečnostních důvodů a moţné poruchy linearsetu bych doporučil minimálně zajištění podloţkou přišroubovanou do čela tyče. Linearset a manuální brzda je spojena hliníkovou deskou o tloušťce 5 mm, která zároveň slouţí jako spojovací prvek s hliníkovým profilem 40x40 s catcherem. 60