Projektni zadatak: naprava SL-3 za savijanje lima

Kako koristiti ovu stranicu

Zadaci i pitanja su bez odgovora. Rješenje s postupkom otvara se gumbom Prikaži rješenje ispod svakog zadatka; najprije riješite sami, a tek onda provjerite.

1. Opis zadatka i tehnološki postupak

U pogonu za izradu limenih nosača traži se jednostavna, sigurna i ponovljiva naprava za savijanje trake lima pod kutom od 90°. Radni komad je traka od konstrukcijskog čelika S235, debljine s = 1,5 mm i širine b = 60 mm, duljine 120 mm, na kojoj se savija krak duljine 25 mm. Danas se komadi savijaju ručno u škripcu, što je sporo, a kut odstupa od komada do komada. Zadatak tima je projektirati, izraditi, pustiti u rad i dokumentirati napravu SL-3 koja savija jedan komad u taktu od 12 s, odnosno pet komada u minuti.

Naprava ima tri dvoradna pneumatska cilindra. Cilindar A (Ø32/12 mm, hod 50 mm) preko koljenastog mehanizma spušta steznu letvu i pritišće lim na stol. Cilindar B (Ø50/20 mm, hod 100 mm) preko poluge krakom r = 70 mm zakreće savojnu gredu oko osi O koja leži na liniji savijanja, uz prednji brid stezne letve. Cilindar C (Ø25/10 mm, hod 80 mm) nakon savijanja gura gotov komad preko ruba stola u kutiju. Stlačeni zrak dolazi iz pogonske mreže od 6 bar pretlaka preko pripremne grupe s pročistačem 40 µm i regulatorom namještenim na 6 bar; mrežu napaja vijčani kompresor 5,5 kW s isporukom 0,8 m³/min i spremnikom od 270 l, koji se uključuje na 6,5 bar i isključuje na 8 bar.

Tehnološki postupak po koracima

1. Umetanje. Radnik položi traku na stol do stražnjeg prislona i bočnih vodilica. Senzor B3 potvrđuje da je lim na mjestu. Ruke su pritom izvan zone stezanja jer se traka ulaže kroz otvor u ogradi.
2. Start. Radnik s oba dlana istodobno pritisne dvoručna tipkala S1 i S2. Ciklus počinje samo ako su sva tri cilindra u osnovnom položaju, tlak je u redu, ograda je zatvorena i NOT-AUS nije aktiviran.
3. A+ stezanje. Stezna letva se spusti i koljenasti mehanizam dođe u ispruženi položaj. U tom položaju reakciju sile savijanja nosi mehanizam, a ne klipnjača, pa mali cilindar A pouzdano drži lim.
4. B+ savijanje. Savojna greda zakrene krak lima za približno 91°. Kut je namjerno malo veći od 90° jer se lim nakon rasterećenja elastično vrati za oko jedan stupanj.
5. B− povrat grede. Greda se vrati u vodoravni položaj.
6. A− otpuštanje. Stezna letva se podigne.
7. C+ izbacivanje. Izbacivač gurne savijeni komad preko ruba stola i savojne grede u kutiju.
8. C− povrat izbacivača. Naprava je u osnovnom položaju i spremna za novi komad.

Iz postupka izravno slijedi slijed gibanja A+ B+ B− A− C+ C−. Isti slijed tim rješava tri puta, svaki put drugom tehnikom: najprije čisto pneumatski kaskadnom metodom, zatim elektropneumatski relejnim taktnim lancem i na kraju programabilnim logičkim upravljačem (PLC) s dodirnim zaslonom (HMI). Pneumatski izvršni dio (cilindri, prigušni ventili, pripremna grupa) ostaje isti u sve tri inačice, mijenja se samo upravljački dio. Tako se na istom stroju vide prednosti i ograničenja svake tehnike.

2. Zahtjevi

Zahtjevi su podijeljeni u tri skupine. Svaki zahtjev ima oznaku (F, S, K) po kojoj se kasnije poziva u kontrolnoj listi puštanja u rad i u zapisniku ispitivanja. Zahtjev koji se ne može ispitati nije zahtjev, nego želja; zato uz svaki piše i kako se provjerava.

Funkcionalni zahtjevi

• F1 Naprava savija traku S235, 60 × 1,5 mm na 90° ± 1° (provjera kutomjerom na pet uzastopnih komada).
• F2 Takt je najviše 12 s po komadu, od čega gibanja cilindara traju oko 4,7 s, a umetanje i start oko 7,3 s (provjera štopericom i mjerenjem vremena takta u PLC-u).
• F3 Slijed gibanja je A+ B+ B− A− C+ C−; nijedno gibanje ne počinje prije nego što senzor potvrdi završetak prethodnoga.
• F4 Ciklus se ne smije pokrenuti bez lima (B3), bez dovoljnog tlaka (tlačna sklopka B4 namještena na 5 bar) i ako cilindri nisu u osnovnom položaju.
• F5 Brzine svih cilindara podesive su prigušno-nepovratnim ventilima na odvodu; gibanje B ne smije udarati u krajnji položaj (podesivo prigušenje u cilindru).
• F6 Tipkalo „Stop na kraju ciklusa" završava započeti ciklus i zaustavlja napravu u osnovnom položaju.
• F7 U PLC inačici HMI prikazuje korak, stanje senzora, broj komada, zadnji takt i poruke smetnji.

Sigurnosni zahtjevi

• S1 Dvoručni start. Ciklus se pokreće samo istodobnim pritiskom obaju tipkala (unutar 0,5 s), preko dvoručnog sigurnosnog modula. Novi start moguć je tek kad se oba tipkala otpuste. Tipkala su razmaknuta i zaštićena od premošćivanja jednom rukom ili laktom.
• S2 NOT-AUS s ispuštanjem tlaka. Gljivasto tipkalo NOT-AUS preko sigurnosnog releja isključuje napon svitaka razvodnika i ulaznog ventila 0V1, koji zatvara dovod i ispušta tlak iz cijele naprave. Deblokada NOT-AUS-a sama ne smije pokrenuti nikakvo gibanje.
• S3 Zaštitna ograda. Zona savijanja i izbacivanja zatvorena je čvrstom ogradom s otvorom za ulaganje trake, dovoljno uskim da prsti ne dosegnu zonu stezanja. Vrata za podešavanje imaju sigurnosni prekidač spojen na isti sigurnosni relej kao NOT-AUS.
• S4 Postupno punjenje. Nakon deblokade tlak se u napravi podiže postupno (ventil za postupno punjenje), a cilindri se najprije dovode u osnovni položaj tipkalom „Osnovni položaj".
• S5 Nestanak napona ili tlaka ne smije izazvati nekontrolirano gibanje. Koljenasti mehanizam cilindra A ostaje u zatvorenom položaju, pa komad ostaje stegnut dok se naprava ne vrati u osnovni položaj.

Konstrukcijski i organizacijski zahtjevi

• K1 Svi dijelovi u toku sile savijanja (stol, stezna letva, savojna greda, osovina, poluga) su čelični. Aditivno se izrađuju samo dijelovi izvan toka sile: nosači senzora, vodilice, prislon, pokrovi.
• K2 Oznake komponenti u shemama, na napravi i u popisu komponenti su iste (1A1, 1V1, 1B1…).
• K3 Projekt se predaje u roku od osam tjedana s dokumentacijom iz odjeljka 12.

3. Podjela uloga u timu i faze projekta

Projekt izvodi tim od četiri do šest polaznika. Svaka uloga ima vlasnika koji odgovara za rezultat, ali svi članovi moraju razumjeti cijelo rješenje, jer se na obrani pitanja postavljaju svakome. U timu od četiri ili pet članova neke se uloge spajaju, kako pokazuje tablica.

Rokovi su zadani u tjednima od početka projekta. Na kraju tjedana 2, 4, 6 i 8 nalaze se kontrolne točke (KT). Na kontrolnoj točki tim pokazuje rezultat nastavniku; faza je završena tek kad je rezultat prihvaćen.

4. Tehnološka shema i dijagram put–korak

Tehnološka shema (slika P.1) pokazuje raspored cilindara i smjer njihova djelovanja. Iz nje se čita što pojedini cilindar radi u kojem koraku, a iz dijagrama put–korak (slika P.2) kada to radi i koji senzor potvrđuje završetak gibanja. Senzori u krajnjim položajima označeni su prema cilindru: 1S1 znači cilindar A uvučen, 1S2 cilindar A izvučen, i tako dalje. U pneumatskoj inačici to su granični ventili s valjčićem (oznake S), a u elektropneumatskoj i PLC inačici magnetski senzori na plaštu cilindra (oznake B, npr. 1B1). Pozicije su iste, mijenja se samo vrsta signala.

U dijagramu se vide dva važna mjesta. Prvo, cilindar B izvuče se i uvuče dok je A cijelo vrijeme izvučen: lim mora biti stegnut dok greda ne dođe natrag. Drugo, cilindar A mijenja smjer između koraka 2 i 4, a cilindar B između koraka 3 i 4. Ako bi signal za jedno gibanje ostao prisutan dok treba početi suprotno gibanje istog cilindra, razvodnik bi dobio oba upravljačka signala istodobno. To je blokirajući signal i upravo ga kaskadna i taktna metoda uklanjaju.

5. Proračun

Proračun odgovara na četiri pitanja: je li cilindar B dovoljno jak, koliko zraka naprava troši, koje razvodnike treba odabrati i stane li slijed u takt. Zadaci su postavljeni bez rješenja; rješenje se otvara gumbom tek kad tim ima vlastiti rezultat. Svi brojevi u rješenjima odnose se na napravu SL-3 i uzimaju vlačnu čvrstoću S235 Rm = 450 MPa (uzmimo; raspon za S235 je približno 360 do 510 MPa).

Moment i sila savijanja

Za savijanje u V-matrici u praksi se koristi aproksimacija

F ≈ 1,33 · b · s² · Rm / w

gdje je w širina otvora matrice (obično 6 do 10 debljina lima). Formula nije ništa drugo nego savijanje grede na dva oslonca: sila F na sredini raspona w stvara moment F · w / 4, a faktor 1,33 = 4/3 znači da je moment potreban za trajno savijanje procijenjen kao M = Rm · b · s² / 3. Taj je iznos nešto veći od punog plastičnog momenta presjeka, pa aproksimacija u sebi ima i trenje i očvršćivanje materijala. Kod savijanja zakretnom gredom (kao na SL-3) sila na gredu nije važna sama po sebi, nego moment oko osi O, pa se uzima isti procijenjeni moment M = Rm · b · s² / 3 i povećava faktorom k za trenje u zglobovima, savijanje preko 90° i dinamiku.

Potrošnja zraka

Potrošnja se računa iz radnog volumena cilindra pri izvlačenju i uvlačenju, preračunatog na normalne uvjete omjerom apsolutnih tlakova (6 + 1,013) / 1,013 = 6,923.

Izbor razvodnika

Razvodnik se bira po broju priključaka i položaja, po načinu aktiviranja i po protoku. Za SL-3 dolaze u obzir razvodnici 5/2 (dvoradni cilindar, dva položaja) i 5/3 (s odzračenim srednjim položajem, ako se cilindar mora moći zaustaviti bez sile). Bistabilni razvodnik pamti zadnji položaj i nakon nestanka signala, monostabilni se vraća oprugom.

6. Pneumatsko rješenje kaskadnom metodom

U kaskadnoj metodi slijed se dijeli u grupe tako da se unutar grupe nijedan cilindar ne pojavljuje dvaput. Svaka grupa ima svoj vod (L1, L2…) koji je pod tlakom samo dok je ta grupa aktivna, a granični ventili pojedine grupe napajaju se iz njezina voda. Kad grupa završi, njezin se vod odzrači i svi signali iz nje nestanu, pa ne mogu blokirati suprotno gibanje.

7. Elektropneumatsko rješenje taktnom metodom

U taktnoj metodi svaki korak slijeda ima svoju memoriju, ovdje relej sa samodržanjem. Korak se uključuje kad je aktivan prethodni korak i kad senzor potvrdi završetak prethodnog gibanja. Izlaz na elektromagnet razvodnika uključen je samo dok je korak aktivan, a sljedeći još nije, pa se svitci istog bistabilnog razvodnika nikad ne uključuju istodobno.

8. PLC rješenje i vizualizacija na HMI

PLC inačica koristi iste senzore i razvodnike kao relejna. Sigurnosne funkcije (NOT-AUS, ograda, dvoručni start) i dalje su ostvarene sigurnosnim relejem i dvoručnim modulom; PLC dobiva samo njihove povratne signale i ne smije ih zamijeniti običnim programom. Prednost PLC-a je nadzor vremena svakog koraka, dijagnostika, brojanje komada i HMI.

Koraci slijeda

Program je napisan kao koračni lanac: u svakom trenutku aktivan je točno jedan korak (cjelobrojna varijabla korak). Svaki korak ima uvjet prijelaza i nadzorno vrijeme. Ako senzor ne javi završetak unutar nadzornog vremena (npr. 3 s za B+), program prelazi u korak smetnje, isključuje sve izlaze za gibanje i ispisuje poruku.

Opis programa u obliku strukturiranog teksta (pseudokod; ljestvičasti program izrađuje se po istoj logici, jedan krug po koraku):

AKO NIJE KNA ILI NIJE B4 TADA korak := 99; poruka := 'Sigurnosni krug ili tlak';
SLUČAJ korak
 0: AKO bridKDR I B3 I 1B1 I 2B1 I 3B1 TADA korak := 1; pokreni(Ttakt);
 1: 1Y1 := 1; AKO 1B2 TADA korak := 2;  nadzor(1,5 s);
 2: 2Y1 := 1; AKO 2B2 TADA korak := 3;  nadzor(3,0 s);
 3: 2Y2 := 1; AKO 2B1 TADA korak := 4;  nadzor(2,5 s);
 4: 1Y2 := 1; AKO 1B1 TADA korak := 5;  nadzor(1,5 s);
 5: 3Y1 := 1; AKO 3B2 TADA korak := 6;  nadzor(1,5 s);
 6: 3Y2 := 1; AKO 3B1 TADA komadi := komadi + 1; zadnjiTakt := Ttakt; korak := 0;
 99: sviIzlaziGibanja := 0; H2 := treptanje;
     AKO potvrda I S3 TADA povratUOsnovni;   (B−, C−, pa A− tek uz 2B1)
KRAJ
AKO korak = 0 I NIJE S4 TADA blokiraj novi start;   (stop na kraju ciklusa)

Izlazi se u svakom ciklusu programa najprije postave na 0, a zatim ih uključuje samo aktivni korak. Tako nije moguće da ostanu uključena oba svitka istog razvodnika.

Vizualizacija na HMI

HMI ne smije biti jedini način upravljanja: dvoručni start, NOT-AUS i „Stop na kraju ciklusa" ostaju fizička tipkala. Na zaslonu se prikazuje:

• sinoptička slika triju cilindara s položajem klipnjače i svjetlima senzora u krajnjim položajima;
• broj aktivnog koraka i naziv gibanja koje se izvodi;
• broj komada u smjeni (brisanje brojača zaštićeno lozinkom) i vrijeme zadnjeg takta;
• stanje uvjeta starta: tlak (B4), lim (B3), NOT-AUS i ograda (KNA), osnovni položaj;
• poruke smetnji s vremenom nastanka i uzrokom, npr. „Nadzor koraka 2: 2B2 nije javio u 3,0 s";
• zaslon ručnog rada: pojedinačna gibanja samo uz preklopku S5 u položaju „ručno" i zatvorenu ogradu, uz međusobne blokade (A− samo kad je 2B1, B+ samo kad je 1B2).

9. 3D modeliranje i aditivna izrada nosača i vodilica

Konstrukcijski član tima modelira dijelove koji nisu u toku sile savijanja, a trebaju biti prilagođeni baš ovoj napravi. Takvi se dijelovi isplativo izrađuju aditivno: potrebno je nekoliko komada, oblik je složen, a prepravka nakon ispitivanja traje sat, ne dan.

Dijelovi koji se izrađuju

• Nosač senzora B3 ispod stola: drži induktivni senzor M12 s uzdužnim utorom za podešavanje udaljenosti od lima u rasponu ± 5 mm; senzor ne smije stršati iznad površine stola.
• Bočne vodilice lima (dvije): vode traku širine 60 mm uz zračnost 0,5 mm na svaku stranu; ulazni rub zaobljen ili skošen da traka ne zapinje.
• Stražnji prislon: određuje duljinu savijenog kraka 25 mm; pričvršćenje kroz utore za fino podešavanje.
• Nosači kabela senzora na cilindrima i pokrov kabelskog kanala.
• Po želji tima: držač upravljačke ploče s dvoručnim tipkalima, uz provjeru razmaka tipkala.

Zahtjevi za model i izradu

• Model se izrađuje u sklopu cijele naprave, da se provjere sudari s gredom u cijelom kutu zakreta i s izbacivačem na cijelom hodu.
• Materijal: PETG ili PA (poliamid). PLA se ne koristi za dijelove uz napravu jer puzi pod stalnim opterećenjem i omekšava već na oko 55 °C; vodilice su izložene trenju lima, pa je PA bolji izbor gdje je dostupan.
• Ispuna najmanje 40 %, najmanje četiri obodne stijenke, slojevi orijentirani tako da opterećenje ne djeluje okomito na slojeve (slojevi se najlakše razdvajaju).
• Rupe za vijke izrađuju se s dodatkom 0,2 do 0,3 mm; za navoje se ugrađuju toplinski umetnute matice M4, ne reže se navoj u plastiku.
• Kritične mjere (utor senzora, razmak vodilica) ispituju se najprije na probnom ispisu malog isječka.
• Uz svaki dio predaje se model, izvozna datoteka za ispis, zapis postavki ispisa (materijal, temperatura, ispuna, orijentacija, trajanje) i fotografija ugrađenog dijela.

10. Popis komponenti

Popis vrijedi za elektropneumatsku i PLC inačicu; komponente samo pneumatske inačice navedene su na kraju. Podaci su osnovni podaci za izbor; konkretnu izvedbu tim bira iz kataloga proizvođača dostupnog u radionici.

11. Puštanje u rad i ispitivanje

Puštanje u rad provode najmanje dva člana tima uz nazočnost nastavnika. Svaka stavka dobiva ocjenu „u redu" ili „nije u redu" s opisom; stavka koja nije u redu popravlja se i ispituje ponovno. Ispitivanje sigurnosnih funkcija ponavlja se nakon svake promjene ožičenja.

Prije uključenja tlaka i napona

1. Vizualni pregled: sve cijevi utaknute do kraja i pričvršćene, nema prelomljenih cijevi, kabeli u kanalima, vijci stezne letve i savojne grede pritegnuti.
2. Provjera ožičenja prema shemi, mjerenje otpora zaštitnog vodiča i izolacije prema uputi nastavnika; napajanje 24 V izmjereno prije spajanja PLC-a.
3. Regulator pripremne grupe odvrnut na najmanji tlak, prigušni ventili pritvoreni.
4. Savojna greda ručno zakrenuta kroz cijeli kut (bez tlaka): nema sudara s nosačima, vodilicama i steznom letvom.

Ispitivanje sigurnosnih funkcija

1. NOT-AUS u osnovnom položaju: 0V1 ispušta tlak, manometar iza 0V1 pada na nulu, HMI javlja smetnju.
2. NOT-AUS za vrijeme B+: gibanje prestaje, tlak se ispušta, deblokada ne pokreće gibanje.
3. Otvaranje vrata ograde u svakom koraku: isti odziv kao NOT-AUS.
4. Dvoručni start: pritisak samo jednog tipkala ne pokreće ciklus; pritisak s razmakom većim od 0,5 s ne pokreće ciklus; držanje tipkala nakon kraja ciklusa ne pokreće novi ciklus.
5. Postupno punjenje nakon deblokade: tlak raste postupno, gibanja nema dok se ne pritisne S3.

Funkcijsko ispitivanje

1. Tlak se polako podiže na 6 bar; provjera propuštanja sluhom i sprejom za otkrivanje propuštanja.
2. Ručni rad: svako gibanje pojedinačno, podešavanje brzina i prigušenja u krajnjim položajima, provjera svakog senzora na HMI.
3. Namještanje tlačne sklopke B4: pri smanjenju tlaka regulatorom ispod 5 bar naprava ne dopušta start.
4. Uklanjanje lima: bez lima (B3) start nije moguć.
5. Ispitivanje nadzora koraka: odvrtanjem senzora 2B2 simulira se kvar; nakon 3 s naprava prelazi u smetnju s ispravnom porukom.
6. Deset uzastopnih ciklusa s limom: mjerenje kuta kutomjerom na pet komada, mjerenje takta; rezultati se upisuju u zapisnik.

12. Dokumentacija za predaju

Dokumentacija se predaje u jednoj mapi, s naslovnom stranicom, sadržajem i numeriranim stranicama. Svaki dokument ima oznaku inačice i datum, jer se tijekom projekta sheme mijenjaju.

1. Opis zadatka i popis zahtjeva s oznakama F, S i K.
2. Tehnološka shema, dijagram put–korak i vremenski plan takta.
3. Proračun: sila i moment savijanja, provjera cilindra B, potrošnja zraka, izbor razvodnika, s pretpostavkama napisanima na početku.
4. Pneumatska shema kaskadne inačice s tablicom signala.
5. Električne sheme: sigurnosni krug, relejni taktni lanac, izlazni krug razvodnika, raspored stezaljki.
6. PLC: tablica adresa, ispis programa s komentarima, popis poruka smetnji, zasloni HMI.
7. 3D modeli, crteži i zapis postavki aditivne izrade.
8. Popis komponenti s oznakama istima kao na shemama i na napravi.
9. Zapisnik puštanja u rad i ispitivanja sigurnosnih funkcija, s potpisima.
10. Kratke upute za rukovanje i održavanje (dnevni pregled, ispuštanje kondenzata, provjera senzora).
11. Zapisnici sastanaka tima i izvještaj o podjeli rada.

13. Vrednovanje

Projekt se boduje ukupno sa 100 bodova. Dio bodova je timski, a na obrani svaki član dobiva i pojedinačnu ocjenu razumijevanja cijelog rješenja.

Prijedlog ljestvice: 90 do 100 bodova izvrstan, 78 do 89 vrlo dobar, 64 do 77 dobar, 50 do 63 dovoljan. Ako sigurnosne funkcije nisu ispitane i potvrđene zapisnikom, projekt nije prihvaćen bez obzira na ukupni broj bodova.

14. Pitanja za obranu projekta

15. Za nastavnika