En elmotor kan användas för att rotera svetsvertyget. Elmotorer delas in i två grupper, DC-motorer och AC-motorer.

Transkript

1 Befintliga lösningar Vi började med att bortse från problemformuleringen att sammanfoga. Istället valdes att fokusera på svetshuvudets funktion. Det vill säga att skapa friktion mellan verktyg och arbetsstycke genom tryck och rotation av verktyget. Då inga specifika patent på dessa funktioner hittades, har arbetsgruppen diskuterat tänkbara befintliga lösningar. Rotation Pneumatisk motor Rotationsrörelse för att driva svetsverktyget kan fås med en pneumatisk motor. En pneumatisk motor är en maskin som konverterar energi av komprimerad luft till mekaniskt arbete. Pneumatiska motorer är tåliga mot överbelastning, till skillnad från elektriska som kan överhettas, eftersom det inte händer så mycket mer än att de stannar om de överbelastas. En annan fördel med pneumatiska motorer är att de för en given effekt är mindre och lättare än en elmotor. En nackdel med pneumatiska motorer är att det totalt med pneumatisk energiöverföring, jämfört med en elektrisk energiöverföring och elektrisk motor, ofta blir högre energiförluster. Det skulle vara möjligt att dimensionera pneumatiska ledningar och motorer så att förlusterna blir små, men då skulle de bli stora och dyra. Elektriska motorer En elmotor kan användas för att rotera svetsvertyget. Elmotorer delas in i två grupper, DC-motorer och AC-motorer. DC-motor (Likströmsmotor) DC-motorn består av antingen permanentmagneter eller en spole som inducerar ett magnetfält. Den fungerar som stator och ett ankare i mitten som fungerar som rotor. När ström skickas genom borstar alternativt kol blir kuggarna på rotorn magnetiska. Magnetfältet vill stöta bort kuggarna och detta ger upphov till rörelse åt ett håll. Om man vänder polariteten kan man få rörelse åt motsatt håll. Fördelen med en sådan motor är att den är bra till applikationer som kräver en jämn gång och att det är en enkel konstruktion som medför att den blir hyfsat billig. AC-motor (Växelströmsmotor) Borstlösa AC-motorer har idag ersatt många DC-motorer. Huvudskälet är att AC-motorn har en högre dynamik som innebär flexibilitet i styrning av hastighet och position. Man slipper även slitage av kolborstar. Rotorn är mindre vilket möjliggör konstruktioner med lägre vikt och AC-motorns stator kan enkelt kylas så att motorn kortvarigt kan överbelastas. AC-motorstyrning passar också bättre vid mer robusta konstruktioner. AC-motorer delas in i två typer: Asynkron AC-motor Principen är att rotorlindningar induceras av statorn. Det måste finnas en viss eftersläpning (fasförskjutning) på grund av att rotorlindningarna ej matas separat. En nackdel är att dessa eftersläpningar gör att motorn slirar/släpar, hur mycket beror på lasten ju högre moment man lägger på desto mer slirar den. Den tar även mer plats än en synkronmotor. Fördelar är att den är billig och har ett större varvtalsområde än synkronmotorn. Synkron AC-motor Synkronmotorn har en separat matad rotor där magnetfälten ligger i fas. Den har en kompakt design som är mindre än asynkronmotorn och ett lägre tröghetsmoment i rotorn. Den är även lätt att styra tack vare dess goda dynamiska egenskaper. Nackdelen är att den är dyrare.

2 Förbränningsmotor Principen för en förbränningsmotor är att få ut mekanisk arbete genom förbränning. Det finns två typer av förbränningsmotorer, kolvmotorer och turbiner. Båda typerna bygger på att man utnyttjar expansionen som sker vid förbränningen. Antingen genom en turbin för att få en rotation, eller en fram och återgående rörelse av en kolv. Kolvrörelsen kan sedan omvandlas till en rotation med hjälp av en vevstake. Hydraulmotor En hydraulmotor omvandlar hydraultryck till moment/rotationsrörelse. Detta kan vara en bra lösning om man behöver ett stort startmoment och en kraftfull motor. Dock är en hydraulmotor ofta mycket otymplig och stor i jämförelse med en elmotor.

3 Tryckkraft Pneumatisk motor Linjär rörelse för att trycka ner svetsverktyget kan fås med en pneumatisk motor. Det sker exempelvis med hjälp av ett ställdon. För närmare beskrivning av hur en pneumatisk motor fungerar, se Pneumatisk motor i delen Befintliga lösningar för att rotera. Elektriska motorer Elektriska motorer kan även användas för att få en linjär kraft för att trycka. Det sker exempelvis med hjälp av ett ställdon. För mer information, se Elmotorer under Befintliga lösningar. Linjärmotor På samma sätt som hos en rotationsmotor skapas kraft genom att en ström leds (vinkelrätt) genom ett magnetfält. Skillnaden ligger i att detta används för att skapa en linjär rörelse istället för ett rotationsrörelse. Hydraultryck Genom att utnyttja att tycket i ett hydrauliskt system är konstant, kan utväxling mellan kraft och väg ske. En existerande produkt som enkelt beskriver detta är domkraften. Där en kolv med liten area pressar på oljan som i sin tur pressar på en kolv med större area. Kraftutväxlingen som sker är proportionell mot förhållandet av de två kolvareorna. Ställdon Ställdon i form av en motor som ställs in på ett visst moment och som driver ett kugghjul. Kugghjulet har sneda kuggar och roterar en stång som skruvar ner en gängad stång som ligger utanpå. Fördelen är att det är en direkt överföring från motor till stången. En nackdel är att om antalet kuggar är för få så kan man inte kan få så stor noggrannhet. Ett annat exempel på ett ställdon är en så kallad kulskruv, som är just en gängad stång med en mutter. På kulskruven har dock muttern kulor i gängorna, likt ett kullager, vilket ger en väldigt låg friktion.

4 Vikter Med tyngder kan stora tryck skapas, det kan dock vara svårt att reglera trycket. Sexaxlig robot Roboten skapar tryck genom elmotor som driver roboten. Det är en befintlig lösning på helhetsproblemet inom friktionssvetsning. Elektromagnet En magnet skapar ett magnetfält som kan ge upphov till stora krafter på exempelvis ett ferritiskt stål. Dessa krafter kan användas för att skapa stora tryckkrafter. En nackdel är att det kan vara svårt att realisera i en svetsmaskinsapplikation.

5 Tryckkraft och rotation Befintlig friktionssvets Här ser vi en större friktionssvets där svetshuvudet sitter ovanför svetsbordet. Den tillverkas av MegaStir. Trycket åstadkommes med hydraulik och rotationen fås av en elmotor. Fördelar med den här är att den är kraftig och kan åstadkomma höga tryckkrafter. Nackdel är att den är stor och överdimensionerad i kraftväg. Krafterna blir svåra och hantera. Befintlig friktionssvets Här är den maskin som Esab idag anser är den största konkurrenten, och även den bästa lösningen på problemet som finns idag. Det är en mindre maskin med elektromekanisk lösning som monsteras på ett arbetsbord. Den åstadkommer rotation med en elmotor och tryckkraft med en elmotor och ett ställdon.

6 Robot Här är en robot där trycket fås av av flera hydraulcylindrar som är ställbara. Rotationen fås av en elmotor som sitter på ett vinklingsbart huvud. Fördelarna här är den flexibilitet som det vinklingsbara huvudet ger och de olika lägen som går att ställa med hydrauliken. Nackdelarna är att den är stor och otymplig och att trycket ges av hydraulik.

7 Patent 1) Här är en lösning där tryck och rotation hålls separerade. En koncentrisk elmotor skapar rotationen i friktions omrörningsverktyget i maskinens överdel. En annan koncenstrisk elmotor driver en linjär aktuator, ett ställdon, som trycker upp arbetsstycket mot friktionsverktyget. 2) Här är en lösning där man fokuserat mer på hastigheten och kvaliteten på svetsfogen. Lösningen bygger mer på att eliminera, eller snarare minska, behovet av tryck och rotation vid friktionssvetsning även om man fortfarande kommer behöva röra om för att kunna foga ihop materialen. Man värmer då upp materialet till rekristallationstemperaturen för att inte behöva skapa lika mycket värme med rotation och tyck och kunna köra maskinen fortare.

8 Referenslösning Som referenslösning har vi valt ESAB's FSW LEGIO 3 ST, vilken är en modell ur ESAB's standardserie. Den valdes eftersom den är den minsta modellen i standardserien som har producerats, och därmed har den en tryckkraft som bäst motsvarar storleken på den kraft som vår lösning ska uppfylla. Teknisk information om produkten Vertikal tryckkraft på 25 [kn]. [mm]. Svetshastighet på upp till 2 [m/min]. Spindelrotation 3000 (+/-5) [rpm]. Spindelmotor på 11 [kw]. Verktygsinterface; Weldon med Ø 35 Energiförbrukning 17 [kw]. Rörelse i z-riktning (vertikalt) 340 (+/ ) [mm]. Svetsdjup: 10 [mm] för AA [mm] för AA [mm] för AA 2000 och AA [ mm] för syrefri koppar Konstruerad för linjär svetsning. HMI (Human Machine Interface) har en menybaserad mjukvara som möjliggör lagring och upphämtning av svetsprogram. PC-anslutning och dataöverföring möjlig. Alarmsystem och alarmhistorik inkluderat. Kuggstångsdrivet svetshuvud. Kontroll av tryckkraft, verktygets position och svetshastighet för processen.

9 Funktionsanalys Starka och svaga delar För att få en överblick av dagens produkt valdes att se på hela friktionssvetsen som produkt, och att göra en funktionsanalys av denna. Då en del av detta projekt går ut på att eliminera det hydrauliska systemet som dagens lösning har, kan detta ses som en svaghet. Systemet är stort och otympligt, dessutom finns risken för oljeläckage samt att oljan är farlig för miljön. Vad som är en stark del hos den hydrauliska lösningen är att det är kapabelt att skapa stora tryckkrafter. En annan svag del i den befintliga svetsen är dess verktyg som behöver bytas ut relativt ofta (beroende på svetsmaterial) på grund av förslitning. Man har i vissa fall också problem med att för mycket värme leds upp i verktyget. Som produkt/metod har friktionssvetsen en stor svaghet vid strömavbrott. Om detta sker under en svetsprocess stannar verktyget och materialet stelnar. Detta gör att hela verktyget måste kasseras. Detta problem har diskuterats med ESAB som tittar på hur detta problem skulle kunna lösas. En av produktens starkaste sida är, som tidigare nämnt, att den är mycket miljövänlig ur energi och materialsynpunkt. Blackbox Figuren nedan visar schematiskt vad det är som går in och ut ur processen friktionssvetsning. metallstycken rörelseenergi styrdata Blackbox sammanfogade metallstycken värme processdata

10 Styrsystem styr håller driver håller Motor Kuggaxel Svetshuvud Stativ Motor håller roterar håller driver skapar tryck trycker Motor Pump Olja Hydraulkolv tycker Verktyg sammanfogar Svetsstycke håller Verktygsbord fixerar kyler