Projektni zadatak: modularni pneumatski hvatač MPH-1

Masa punog bloka 80 × 60 × 40 mm od aluminija gustoće 2700 kg/m³: V = 0,080 · 0,060 · 0,040 = 1,92 · 10⁻⁴ m³, m = 2700 · 1,92 · 10⁻⁴ = 0,518 kg. Zadana masa gotovog tijela je 0,26 kg, dakle značajkama treba ukloniti (0,518 − 0,26) / 0,518 ≈ 50 % volumena.

To se u praksi ne postiže jednim džepom nego redoslijedom nekoliko značajki koje redom „jedu“ materijal s mjesta koja ne nose opterećenje: prolazna ljuska (shell) kroz sredinu tijela ostavljajući čvrste stijenke oko rupa za vodilice i pričvrsne vijke, zatim rasterećujući džepovi na bočnim stranicama, na kraju zaobljenja na vanjskim bridovima radi sigurnosti rukovanja. Redoslijed je bitan zbog roditelj-dijete odnosa: rupe za vodilice modeliraju se prije ljuske i džepova, jer inače naredba ljuske gubi referencu na već postojeće otvore.

Ispravan pristup je izraditi jedan model prsta s vodećim dimenzijama hoda i početnog razmaka upisanim kao jednadžbe (npr. hod = 15 mm, razmak_max = 70 mm), a drugi prst dobiti zrcaljenjem (naredba za zrcaljenje dijela preko referentne ravnine sklopa) umjesto ručnim modeliranjem iznova. Time postoji samo jedan izvor istine za dimenzije prsta; promjena jednadžbe hod promijeni geometriju vodilice na oba prsta jer je zrcaljena kopija asocijativna s originalom.

Pogrešan pristup — kopiranje dijela „Spremi kao“ i ručno zrcaljenje skice — stvara dva neovisna modela; promjena hoda na jednom ne prenosi se na drugi, što je upravo suprotno namjeri dizajna iz modula 1.

Bend allowance (dodatak za savijanje) računa se izrazom BA = α · (R + K·T), gdje je α kut savijanja u radijanima, R unutarnji radijus savijanja, T debljina lima, K faktor položaja neutralne linije. Za α = 90° = π/2 rad, R = 3 mm, T = 3 mm, K = 0,44: BA = (π/2) · (3 + 0,44·3) = (π/2) · 4,32 ≈ 6,79 mm.

Ta vrijednost je duljina materijala u savoju mjerena po neutralnoj liniji, i CAD sustav je koristi automatski pri prijelazu između savijenog modela i razvijenog oblika (flat pattern) — upisuje se kao svojstvo tablice savijanja dijela, ne kao ručni izračun u skici. Zadatak modelara je zadati ispravan K-faktor ili radijus/debljinu iz kojih ga sustav izvodi, ne ručno mijenjati razvijeni oblik dok se ne „poklopi“.

Površina poprečnog presjeka stijenke šupljeg profila 20 × 20 × 2 mm: vanjski presjek 20 × 20 = 400 mm², unutarnji (20 − 2·2) × (20 − 2·2) = 16 × 16 = 256 mm², površina stijenke A = 400 − 256 = 144 mm².

Volumen iz mase: V = m/ρ = 2,4 / 7850 = 3,057 · 10⁻⁴ m³ = 305 732 mm³. Ukupna duljina profila: L = V/A = 305 732 / 144 ≈ 2123 mm ≈ 2,12 m. Za podnožje veličine reda 150 × 100 mm s četiri noge to je realan zbroj duljina svih segmenata profila (obodni okvir plus noge plus ukrute) — ako bi skica dala znatno manju ukupnu duljinu, znak je da presjek ili broj segmenata treba preispitati prije zavarivanja.

Sastavnica profila (cut list) zavarene konstrukcije popisuje svaki rezani komad profila s njegovom duljinom, presjekom i materijalom — to je unutarnja sastavnica same zavarene konstrukcije, odvojena od sastavnice cijelog sklopa. U sastavnici sklopa podnožje se pojavljuje kao jedan redak (jedan zavareni sastavni dio, masa 2,4 kg), a cut list se prilaže kao zaseban list nacrta podnožja ili zasebna tablica.

Ako se sadržaj cut lista ručno prepiše u glavnu sastavnicu, gubi se asocijativnost: promjena duljine profila u skici (npr. zbog izmjene veličine podnožja) automatski ažurira cut list, ali ne i ručno prepisan tekst u drugoj tablici, pa dokumentacija prestaje odgovarati modelu.

Savitljiva (fleksibilna) cijev nema jedan propisan minimalni radijus savijanja kao kruta metalna cijev s definiranom debljinom stijenke — njezina putanja u routingu prati stvarni raspored komponenata i kanala unutar sklopa, a granični radijus zadaje se kao svojstvo materijala cijevi (podatak proizvođača), ne kao kruta geometrijska značajka modela. U CAD sustavu se zato savitljiva cijev obično modelira kao ravna referentna putanja između priključaka uz naknadnu provjeru najmanjeg radijusa koji putanja poštuje, dok se kruta cijev modelira segmentima s eksplicitno definiranim radijusima savoja i duljinama ravnih dionica.

Za MPH-1 to znači: ukupna duljina cijevi od 1,5 m raspoređuje se na dvije grane (do svakog priključka cilindra) preko brzih spojnika na razvodniku, s dovoljnom rezervom duljine da cijev prati gibanje bez zatezanja pri punom hodu klipa.

Nosač na tijelo i podnožje na nosač: veza sukladnosti (coincident) između dodirnih ravnina plus veza sukladnosti dviju osi provrta za vijke — kombinacija ukida svih 6 stupnjeva slobode gibanja (3 translacije, 3 rotacije), dio postaje kruto vezan. Cilindar u tijelo: koncentrična veza (concentric) između cilindrične površine klipnjače i provrta u tijelu ukida 4 stupnja slobode (2 translacije okomito na os, 2 rotacije oko tih osi), plus jedna veza sukladnosti ravnina koja ukida rotaciju oko osi klipnjače (cilindar se pri hodu ne smije zakretati) — ukupno 5 od 6 stupnjeva slobode, a preostaje točno jedan: translacija duž osi klipnjače, koja i predstavlja hod od 20 mm. Taj jedan namjerno preostali stupanj slobode gibanja je razlog zašto se u fazi 3 govori o „potpuno određenom sklopu“ unatoč tome što jedan dio sklopa ostaje pokretljiv — potpuno određen znači nula nenamjernih stupnjeva slobode.

Najmanje: (1) oznaku i presjek/broj žila kabela (ovdje dvožilni vod za PNP izlaz i napajanje senzora), i (2) stvarnu duljinu rute kroz sklop, ne zračnu udaljenost između priključaka — jer se ta duljina koristi za narudžbu materijala i za provjeru da kabel s rezervom dosegne razvodni ormar bez zatezanja. Korisno je uz to upisati i oznake priključaka na oba kraja (senzor — stezaljka u ormaru) kako bi popis vodiča bio čitljiv bez dodatnog objašnjenja.

Provjera se radi u sklopnom dokumentu: sustav označava stanje svakog dijela kao potpuno određen, nedovoljno određen (preostali stupnjevi slobode) ili prekomjerno određen (proturječne veze). Za ispravan sklop svi dijelovi osim namjerno pokretnih moraju biti potpuno određeni; broj preostalih stupnjeva slobode gibanja provjerava se alatom za analizu gibanja ili jednostavnim pokušajem ručnog pomicanja dijela u prostoru sklopa.

Za MPH-1 provjera treba pokazati: tijelo, nosač, podnožje, senzor, spojnici i standardni dijelovi — potpuno određeni (nula stupnjeva slobode); cilindar — jedan preostali stupanj slobode (translacija klipnjače, hod 20 mm); oba prsta — po jedan preostali stupanj slobode svaki (translacija duž vodilice, hod 15 mm), pri čemu su prsti mehanički vezani uz gibanje klipnjače istim vezama kao u zadatku B3, samo primijenjenima na sučelje klipnjača–prst umjesto klipnjača–tijelo. Svaki drugi preostali stupanj slobode gibanja znači nedovršenu vezu i mora se ispraviti prije faze 4.

Za sklop poput MPH-1 dovoljna su tri osnovna pogleda (sprijeda, tlocrt, bokocrt) plus izometrija za brzo razumijevanje oblika, uz uvjet da pogled sprijeda pokaže hvatač u položaju u kojem se najbolje vidi odnos prstiju i tijela. Presječni pogled sklopa ima smisla jer skriva unutrašnjost tijela (kanal za klipnjaču, provrte za vodilice) koja se ne vidi iz vanjskih pogleda niti na dijelu tijela samog, pa presjek zajedno s pozicijskim brojevima i sastavnicom jasno pokazuje kako su unutarnji dijelovi (klipnjača, vodilice) uklopljeni u tijelo.

Fizičko svojstvo materijala (gustoća, čvrstoća) koristi se za izračun mase i za analize, dok je vizualni izgled (boja, sjaj, hrapavost površine) zaseban podatak koji utječe samo na prikaz, ne na masu. Razlika nije formalnost jer se za isti materijal mogu zadati različiti izgledi (npr. eloksirano srebrno ili eloksirano crno aluminijsko tijelo) bez ikakvog utjecaja na masu iz zahtjeva — da su ta dva svojstva spojena u jedno, promjena boje radi predstavljanja proizvoda mogla bi neopaženo promijeniti izračunatu masu sklopa, što bi ugrozilo vjerodostojnost tablice zahtjeva iz uvoda.

Vrijeme ciklusa 0,4 s pokriva puni ciklus otvaranje + zatvaranje, pa jedan smjer hoda (15 mm) traje polovicu toga, t = 0,2 s. Prosječna brzina pomaka prsta: v = hod/t = 15 mm / 0,2 s = 75 mm/s (0,075 m/s).

Izvješće treba potvrditi da simulacija u softveru, pri zadanom vremenskom profilu gibanja klipnjače, daje upravo ovaj ukupni ciklus od 0,4 s za puni hod prstiju od 15 mm u oba smjera; ako simulirano vrijeme znatno odstupa, uzrok je najčešće pogrešno zadana brzina ili ubrzanje motora simulacije, ne geometrija sklopa, jer je hod i razmak čeljusti geometrijski fiksiran već u fazi 1.

Radi smanjenja mase pokretnog dijela sustava (manja masa znači manju tromost i manje opterećenje mehanizma koji hvatač nosi); prema izračunu iz zadatka A1, uklonjeno je oko 50 % volumena punog bloka (0,518 kg puni blok, 0,26 kg gotovo tijelo).

Kombinacijom koncentrične veze (klipnjača — provrt u tijelu) i veze sukladnosti ravnina koja sprječava rotaciju oko osi klipnjače; ukupno se ukida 5 od 6 stupnjeva slobode gibanja, preostaje jedan — translacija duž osi, ograničena hodom od 20 mm (zadatak B3).

Pri ø20 mm i 6 bar sila iznosi oko 188,5 N (A = π·20²/4 ≈ 314,16 mm², F = 0,6·314,16). Sila raste s kvadratom promjera: za ø25 mm površina je A = π·25²/4 ≈ 490,9 mm², pa bi sila pri istom tlaku bila F = 0,6·490,9 ≈ 294,5 N — porast od oko 56 %, iako je promjer povećan samo za 25 %.

H7/g6 je labaviji, klizni uklop namijenjen relativnom gibanju (prst se mora slobodno pomicati po vodilici uz hod), dok se pozicijski zatik ø6h7 koristi u nepomičnom spoju za precizno pozicioniranje dijelova jednih prema drugima prije pritezanja vijcima — tu je cilj nulti ili minimalni zazor, ne gibanje. Kad bi se na vodilici prstiju koristio pretijesan uklop poput onog za pozicijski zatik, prst bi se zaglavljivao ili trošio pri svakom ciklusu.

BA = (π/2)·(3 + 0,44·3) ≈ 6,79 mm (zadatak A3). Veći radijus savijanja pomiče neutralnu liniju dalje od unutarnje stijenke, pa bi izračunati bend allowance bio veći, a razvijeni (flat pattern) oblik lima ispao bi duži nego što odgovara stvarnom dijelu — posljedica je da bi izrezani lim nakon savijanja bio prevelik ili bi se savijeni oblik dijela razlikovao od modeliranog.

Jer bi ručno prepisivanje prekinulo asocijativnu vezu s modelom — svaka izmjena duljine profila u skici zavarene konstrukcije automatski ažurira cut list, ali ne i tekst ručno prepisan u drugu tablicu, pa bi dokumentacija mogla prestati odgovarati stvarnom modelu (zadatak B1).

Oko 2,12 m (2123 mm), izvedeno iz zadane mase 2,4 kg, gustoće čelika 7850 kg/m³ i površine poprečnog presjeka stijenke profila 20 × 20 × 2 mm (144 mm²): L = m / (ρ·A) (zadatak A4).

Fizički materijal (aluminijska legura određene gustoće) određuje masu i mehanička svojstva korištena u izračunima; izgled (eloksirano srebrno) je zaseban, čisto vizualni podatak za renderiranje koji se može promijeniti (npr. u eloksirano crno) bez ikakvog utjecaja na izračunatu masu sklopa (zadatak D2).

v = 75 mm/s. Vrijeme ciklusa od 0,4 s obuhvaća puni ciklus otvaranja i zatvaranja, pa jedan smjer hoda od 15 mm traje polovicu tog vremena, 0,2 s; brzina se stoga računa kao 15 mm / 0,2 s, ne 15 mm / 0,4 s (zadatak D3).