Proiectarea Unui Dispozitiv Mecatronic de Comanda de la Distanta
Proiectarea unui dispozitiv mecatronic de comandă de la distanță
Lucrarea de față își propune studiul, cercetarea și proiectarea unui dispozitiv mecatronic de comandă de la distanță. Aplicabilitatea acestui dispozitiv este una foarte largă datorită faptului că folosește ca semnal de comandă lumina infraroșie. Pentru realizarea fizică a dispozitivului este necesară îmbinarea mai multor domenii precum: mecanică, electronică și informatică. Pentru proiectarea dispozitivului au fost folosite metode moderne: modelare 3D și analiză de element finit folosind Catia V5. Realizarea fizică a componentelor se face folosind materiale și procedee moderne precum injecția de mase plastice, printarea circuitelor electronice sau realizarea programului necesar. Au fost parcurse următoarele etape: proiectarea mecanică, electronică și software, efectuarea calculelor necesare pentru asigurarea funcționalității dispozitivului și stabilirea procedeelor de producție și asamblare.
The present study has the objective to study, research and develop a mechatronic device used for remote control. The application of this device is very large because it uses infrared light as command signal. To manufacture this device is necessary to combine more domains like: mechanics, electronics and computer science. To design the device there were used modern methods: 3D design with Catia V5 and structural analysis with the same software. Physical manufacturing is made using modern materials and methods like plastic part injection molding, printing circuit boards and software design. Next steps were made: mechanical, electronics and software design, making necessary calculations to insure functionality to the device and setting up manufacturing and procedures for assembly.
Cuprins:
Capitolul 1: Introducere
1.1 Tema și obiectivele lucrării
Capitolul 2: Partea teoretică
2.1 Teorie proiectare Catia
2.2 Injectarea maselor plastice
2.3Funcționarea mașinii de injecție
2.4 Injectarea pieselor de silicon
2.5 Recomandări de proiectare
2.6 Linia flexibilă de fabricație și producție
2.6.1 Structura generală a sistemelor de fabricație
2.6.2 Condițiile funcționării automate
2.6.3 Caracteristicile fabricației flexibile
2.6.4 Noțiunea de robot industrial
Capitolul 3- Rezolvarea temei
3.1 Cerințele impuse de client
3.2 Proiectarea mecanică a carcaselor și a componetelor din silicon
3.3 Alegerea materialelor
3.3.1 Piesele din silion
3.3.2 Piesele din plastic
3.4 Componente achiziționate
3.4.1 Acumulatorul
3.4.2 Dioda emițătoare de lumină
3.4.3 Panoul solar
3.4.4 Micro întrerupătorul
3.5 Proiectarea unei matrițe de injectare
3.6 Proiectarea părții electronice
3.6.1 Blocul sursei de tensiune și sub-componentele sale
3.6.2 Blocul selectării frecvenței și sub-componentele sale
3.6.3 Blocul divizor de frecvență și sub-componentele sale
3.6.4 Blocul tastelor și sub-componentele sale
3.6.5 Blocul oscilatorului și sub-componentele sale
3.6.6 Multiplexarea
3.7 Proiectarea părții software
3.7.1 Blocurile arhitecturii
3.7.2 Timpii de răspuns
3.7.3Pornirea și oprirea luminilor
3.7.4 Celula fotovoltaică
3.7.5 Managementul energetic
3.7.6 Reîncărcarea acumulatorului
3.7.7 Diagnoză
3.8 Rolul fiecărei componente din ansamblu
3.8.1 Carcasa superioară
3.8.2 Carcasa inferioară
3.8.3 Placa de circuite integrate
3.8.4 Tastele
3.8.5 Patul de silicon
3.9 Asamblarea produsului
3.9.1 Prezentarea produsului
3.9.2 Prezentarea liniei de asamblare și posturile de lucru
3.9.3 Analiza fiecărui post de lucru
3.10 Calculul de toleranțe
3.11 Analiza de element finit
3.12 Analiza zonelor iluminate
3.13 Analiza curgerii materialului plastic în matriță
3.14 Vopsirea tastelor
3.14.1 Pregătirea pieselor pentru vopsire
3.14.2 Aplicarea grundului
3.14.3 Aplicarea vopselei
3.14.4 Aplicarea lacului transparent
3.14.5 Uscarea vopselei și lacului
Capitolul 4- Concluzii
Capitolul 5- Bibliografie
Capitolul 1: Introducere
1.1 Tema și obiectivele lucrării
Lucrarea de față are ca scop dezvoltarea unui produs modern și de cea mai înaltă calitate pentru controlul diverselor componente electronice din toate industriile.
Produsul prezentat în această lucrare este realizat pentru un singur client la dorința acestuia și în strânsă legătură pentru îndeplinirea tuturor cerințelor de la începutul proiectării până la producția de serie.
Este vorba despre un dispozitiv de comandă la distanță, ușor adaptabil diferitelor aplicații. Acest fapt se datorează luminii infraroșii care este folosită pe post de semnal de comandă.
Trăim într-o societate globalizată, unde clientul este uneori în cealaltă parte a lumii în raport cu proiectantul. Cel mai sensibil punct în acest moment este comunicarea eficientă cu clientul. Este foarte important să fie înțelese cerințele acestuia, astfel încât produsul realizat să îndeplinească întocmai aceste condiții.
Funcționalitatea, aspectul și toate caracteristicile produselor realizate în acest mod sunt specificate de către client. Dacă lipsesc sau nu este posibilă realizarea acestora, se va adopta o soluție care să fie realizabilă și să îndeplinească cât mai multe din cerințele clientului.
Produsul prezentat este realizat din mase plastice, cu șase taste de silicon. Cinci dintre ele realizează o anumită funcție, iar a șasea are rolul de a porni/opri dispozitivul comandat.
Caracteristica unică a acestui produs este faptul că tensiunea necesară functionării este asigurată de un acumulator intern, care este reîncarcat de un panou solar. Panoul solar transformă energia electromagnetică sub formă de fascicul luminos, în tensiune electrică, continuă.
Cercetările în utilizarea surselor de energie regenerabile au dus la dezvoltarea panourilor solare capabile să producă tensiune atât din lumina captată de la soare, precum și din lumina emanată de sursele artificiale, cum sunt becurile. Acest fapt permite realizarea unui produs autonom, care nu are nevoie de baterii noi la anumite intervale de timp, sau de conectarea la priză pentru reîncărcarea acumulatorului.
Produsul este livrat asamblat și pregătit să fie utilizat. Toate cele trei componente ale mecatronicii: Mecanică + Programare + Electronică sunt realizate de acelasi furnizor. De aceea, proiectantul unui asemenea produs trebuie să fie un cunoscător al acestor trei domenii.
Proiectarea mecanică presupune realizarea părților fizice, componentelor din material plastic care au rolul unor carcase. Acestea protejează placa de circuite integrate care este foarte sensibilă, dar oferă și integritate produsului.
Aceste ansamble sunt foarte comune, folosite pe scară largă în toate domeniile unde este necesară, utilă sau comodă realizarea unei comenzi digitale.
Piața electronicelor este extrem de largă și variată. Din acest motiv, în momentul de față, această industrie este cea mai dezvoltată din lume.
Fiecare constructor realizează produse distincte, cât mai diferite față de concurență pentru a cuceri cât mai mult din piață. Acest fapt cere elemente de comandă diferite, unice, care să atragă noi clienți. Aici intervine realizarea produselor la comandă.
Din acest considerent, cerințele clienților vor fi întotdeauna diferite față de concurență, si din ce în ce mai complexe, oferind companiilor care realizează acest tip de ansamble un flux continuu de comenzi alimentând cercetarea și dezvoltarea, rezultând produse noi și inovative, din ce în ce mai complexe.
Dezvoltarea economiei mondiale duce la ridicarea standardelor de calitate și pretențiilor clienților, mai ales în industria electronicii, oferind locuri de muncă domeniului de cercetare și dezvoltare o perioadă îndelungată de timp datorită apariției tehnologiilor noi și utilizarea vastă a acestora:
electrocasnice,
autovehicule,
orice domeniu comandat și operat de la distanță.
Această aplicabilitate se datorează materialelor moderne, foarte rezistente în timp și la condiții nefavorabile: materialele plastice.
În toate domeniile sunt dorite materiale ușoare, rezistente și ieftine.
Pe tot parcursul dezvoltării produsului, apar modificări. Acestea sunt datorate schimbării caracteristicilor, funcționalității sau aspectului. Dezvoltarea unui anumit produs se oprește în momentul în care clientul consideră că toate cerințele sunt îndeplinite, produsul are aspectul și funcționalitatea dorită, și bineînțeles, este realizabil la un preț acceptabil.
Am ales această temă pentru lucrarea de licență deoarece atinge cele mai multe domenii ale ingineriei specifice mecatronicii.
Proiectarea mecanică este inter-conectată cu realizarea plăcilor de circuite integrate și trebuie să țină cont și de componenta software. În acest produs, toate cele trei componente funcționează în legatură una cu alta.
Alt motiv pentru alegerea acestei teme este varietatea de cunoștiințe necesare abordării unui asemenea proiect: cunoștiințe despre materialele plastice, calcule de toleranțe, vederea în spațiu a ansamblului dar și provocările aduse de realizarea propriu zisă a unui astfel de produs.
Calcule de rezistență, analiză de element finit, forțe de montaj dar și imaginarea cinematicii și funcționării unui astfel de produs aduc doar beneficii în formarea unui inginer in mecatronică.
Capitolul 2: Partea teoretică
2.1 Teorie proiectare Catia
CATIA (Computer Aided Three Dimensional Interactive Application)- este un program de proiectare asistată de calculator, tridimensional, interactiv și parametrizat, de ultimă generație.
Realizarea programului a început după 1970 și inițial a fost conceput pentru dezvoltarea avioanelor de luptă cu reacție. În ziua de azi, este folosit în toate industriile existente datorită facilităților de vârf oferite:
modelarea parametrică,
modelarea de suprafețe,
modelarea de ansambluri,
generarea desenelor tehnice,
inginerie inversă,
analiză de element finit,
analiză cinematică,
simularea proceselor de fabricație,
proiectarea diverselor instalații: aer, electrice, hidraulice…,
conversia datelor din alte medii de proiectare.
O alta caracteristică foarte importantă o reprezintă capacitatea programului de a se conecta la o bază de date online unde să fie stocate toate documentele. Această facilitate crește siguranța datelor și permite accesul la date a mai multor utilizatori, din locații diferite ale lumii.
Programul are o interfață grafică prietenoasă cu utilizatorul, ușor de personalizat, lucru benefic în sortarea varietații mari de comenzi disponibile fiecărei sesiuni de lucru.
Fig.1- Interfața programului de proiectare “Catia”
În final, acest program nu este decât o unealtă. O unealtă foarte utilă în mâinile unei persoane pricepute. La fel ca orice lucru, fără o utilizare înțeleaptă, nu îsi are nici un folos.
Utilizatorul, mai precis cunoștințele utilizatorului este cel mai important lucru în proiectare. Programul nu face decât să materializeze si sa valorifice aceste cunoștințe.
Pe decursul proiectării apar foarte multe modificări în orice proiect. Pentru gestionarea acestora și simplificarea lucrului, este necesară elaborarea unui set de reguli care să permită realizarea ușoară a modificărilor care vor surveni ulterior.
Gruparea schițelor, suprafețelor de lucru, constrângerilor și altor elemente conferă ordine și structurare a pașilor parcurși pe toată durata dezvoltării, iar modificările ulterioare vor fi ușor de realizat datorită acestei ordonări.
Modulul de ansamblu al programului de proiectare asistată ”Catia” oferă posibilitatea vizualizării evoluției ansamblului încă de la începutul proiectării. Se poate lucra la piesele componente vizualizând tot ansamblul, sau separat pe fiecare componentă în parte, la dorința utilizatorului.
2.2 Injectarea maselor plastice
Materialele plastice au început să fie descoperite aproximativ acum 100 ani. Acestea sunt produse sintetice macromoleculare care se obțin din prelucrarea petrolului sau gazelor naturale.
După comportarea materialelor la căldură, masele plastice se clasifică în 2 mari categorii:
1)Termoplastice:
Sub acțiliză cinematică,
simularea proceselor de fabricație,
proiectarea diverselor instalații: aer, electrice, hidraulice…,
conversia datelor din alte medii de proiectare.
O alta caracteristică foarte importantă o reprezintă capacitatea programului de a se conecta la o bază de date online unde să fie stocate toate documentele. Această facilitate crește siguranța datelor și permite accesul la date a mai multor utilizatori, din locații diferite ale lumii.
Programul are o interfață grafică prietenoasă cu utilizatorul, ușor de personalizat, lucru benefic în sortarea varietații mari de comenzi disponibile fiecărei sesiuni de lucru.
Fig.1- Interfața programului de proiectare “Catia”
În final, acest program nu este decât o unealtă. O unealtă foarte utilă în mâinile unei persoane pricepute. La fel ca orice lucru, fără o utilizare înțeleaptă, nu îsi are nici un folos.
Utilizatorul, mai precis cunoștințele utilizatorului este cel mai important lucru în proiectare. Programul nu face decât să materializeze si sa valorifice aceste cunoștințe.
Pe decursul proiectării apar foarte multe modificări în orice proiect. Pentru gestionarea acestora și simplificarea lucrului, este necesară elaborarea unui set de reguli care să permită realizarea ușoară a modificărilor care vor surveni ulterior.
Gruparea schițelor, suprafețelor de lucru, constrângerilor și altor elemente conferă ordine și structurare a pașilor parcurși pe toată durata dezvoltării, iar modificările ulterioare vor fi ușor de realizat datorită acestei ordonări.
Modulul de ansamblu al programului de proiectare asistată ”Catia” oferă posibilitatea vizualizării evoluției ansamblului încă de la începutul proiectării. Se poate lucra la piesele componente vizualizând tot ansamblul, sau separat pe fiecare componentă în parte, la dorința utilizatorului.
2.2 Injectarea maselor plastice
Materialele plastice au început să fie descoperite aproximativ acum 100 ani. Acestea sunt produse sintetice macromoleculare care se obțin din prelucrarea petrolului sau gazelor naturale.
După comportarea materialelor la căldură, masele plastice se clasifică în 2 mari categorii:
1)Termoplastice:
Sub acțiunea căldurii, aceste materiale se înmoaie, se topesc și pot fi modelate în orice formă. Cel mai mare avantaj al acestor materiale este repetabilitatea procesului care este foarte mare, oferind capacitatea reciclării ulterioare a materialelor până la îmbătrânirea acestora.
2)Termorigide:
Această categorie de mase plastice este caracterizată de imposibilitatea topirii materialelor sub acțiunea căldurii. Încălzite, acestea își pierd forma, nu se topesc, însă încălzite în exces vor fi distruse. Din acest motiv, nu pot fi reciclate.
În schimb, față de materialele termoplastice, au o rezistență la temperatură mult mai bună.
Masele plastice sunt utilizate în aproape toate domeniile economiei. Acest lucru se datorează varietății mari de materiale, proprietăților foarte bune și prețului scăzut în raport cu alte materiale.
Pentru fiecare obiect, există un material plastic cu caracteristici ideale, problema fiind determinarea și alegerea acestuia.
Fără nici o îndoială, masele plastice sunt materialele viitorului datorită proprietăților lor uimitoare precum:
Densitate redusă: masele plastice sunt de 5 până la 9 ori mai ușoare decât metalele.
Stabilitate chimică: au o stabilitate chimică net superioară metalelor. Dacă umezeala sau oxigenul din aer au efecte negative asupra unor metale, masele plastice sunt imune la acești factori.
Proprietăți dielectrice: de regulă, masele plastice sunt foarte bune izolatoare electrice. Acest fapt le conferă o utilitate largă în industria energiei electrice.
Proprietăți mecanice: acestea variază foarte mult, oferind materiale cu o gamă largă de proprietăți precum elasticitate, duritate sau flexibilitate.
Antifricțiunea: această proprietate este una foarte importantă, oferind materialelor plastice o uzură foarte redusă în regim de funcționare și un coeficient de frecare foarte redus în comparație cu metalele. Teflonul este faimos pentru proprietățile sale antifricțiune: presupunem o suprafață de oțel, care prin frecare ajunge la 1000˚ C. Aplicând pe acea suprafață un strat de teflon de 5 mm, temperatura metalului scade până la 150˚ C în aceleași condiții de utilizare.
Proprietăți optice: multe din masele plastice sunt transparente. Unele din ele au o claritate mai bună decât sticla, pe lângă celelalte caracteristici mecanice net superioare acesteia.
Ca și dezavanaje, se pot enumera:
sensibilitatea la căldură,
duritatea net inferioară metalelor,
îmbătrânirea în timp,
coeficient mare de dilatare termică.
Piesele obținute din materiale plastice sunt caracterizate de:
forme foarte complicate care nu mai necesită prelucrări ulterioare,
posibilitatea acoperirii cu straturi metalice sau cu diverse vopsele sau folii,
suprafețe foarte fine, lucioase, mate sau cu alte caracteristici,
posibilitatea obținerii pieselor direct colorate,
posibilitatea obținerii pieselor din mai multe materiale, de culori diferite.
Procedeele de prelucrare a maselor plastice sunt foarte variate.
Masele plastice pot fi prelucrate prin foarte multe procedee. Alegerea procedeului de prelucrare este determinat în principal de forma piesei necesare.
În cazul de față, procedeul de obținere a pieselor din plastic respectiv din silicon, este turnarea sub presiune cunoscută și sub denumirea de injectare.
Această metodă se aplică la obținerea pieselor din materiale termoplastice cât și termorigide.
Scula principală necesară obținerii pieselor injectate este matrița. În interiorul matriței sunt realizate profilele pieselor obținute. Materia primă este introdusă în matriță sub presiune, în stare topită, iar prin răcire rezultă forma finală a piesei.
Această metodă de obținere a pieselor din plastic este cea mai răspândită la seriile mari de fabricație, și se pot folosi atât matrițe simple cu o cavitate cât și foarte complexe cu mai multe cavități, care injectează mai multe materiale sau realizează diferite inserții.
Utilajele folosite pentru injecție sunt utilaje hidraulice, din familia preselor, orizontale sau verticale, semi-automate sau automate.
Fig.2 -Schema de principiu a mașinii de injectat mase plastice
Elementele componente generale ale unei mașini de injecție a maselor plastice sunt următoarele:
Matriță,
Încălzitor,
Melc antrenare,
Cilindru hidraulic,
Pâlnie,
Cilindru de injecție,
Piesa injectată.
În ceea ce privește procesul de injecție, se disting 3 parametrii ai presiunii:
Pi -reprezintă Presiunea Interioară realizată în matriță.
Pe -reprezintă Presiunea Exterioară exercitată de piston.
Ph -reprezintă Presiunea Hidraulică care realizează celelalte presiuni.
2.3 Funcționarea mașinii de injecție
Materialul plastic, de cele mai multe ori sub formă de granule este dozat și introdus în cilindru prin intermediul pâlniei. În cilindru, materia primă este topită de încălzitoarele montate în interiorul sau exteriorul acestuia. Materialul plastic adus într-o stare lichidă, vâscoasă, este forțat să treacă din cilindru în matriță prin intermediul unei duze de injectare aflată la capătul cilindrului. Materialul este pus în mișcare de presiunea realizată de cilindrul și pistonul hidraulic cu care este dotată mașina. Reglând această presiune, sunt controlate toate presiunile din sistem.
Matrița are o temperatură relativ scăzută în raport cu cilindrul de injectare datorită canalelor de răcire în care circulă constant apă. Această soluție constructivă a fost adoptată pentru a micșora timpii de solidificare și răcire a materialului plastic injectat, astfel micșorând timpul total de injecție.
Calitatea pieselor injectate depinde de foarte mulți factori. De exemplu:
temperatura matriței,
temperatura materialului injectat,
presiunea de injecție,
timpul de solidificare a piesei,
dimensionarea cât mai corectă a elementelor mașinii de injecție.
Procedeul de injecție a maselor plastice este similar cu turnarea sub presiune a metalelor, singura diferență fiind materia primă utilizată: granule de plastic respectiv metal topit.
2.4 Injectarea pieselor de silicon
În ceea ce privește injectarea pieselor de silicon, procedeul este identic cu injectarea de mase plastice sau metal. Diferențele constau în materialele din care sunt construite matrițele.
Folosirea siliconului pentru obținerea tastelor a revoluționat fiecare produs care utilizează asemenea piese. Tehnologia de azi permite obținerea pieselor de o complexitate mare, cu o calitate foarte ridicată și la un preț scăzut.
La fel cum plasticul a înlocuit metalul în foarte multe domenii, așa și siliconul înlocuiește cu succes plasticul în unele domenii. Tastele și actuatorii din silicon sunt de multe ori preferate în defavoarea plasticului mai scump sau metalului și mai scump.
Piesele din silicon sunt construite sub forma unor domuri, și oferă o deformare elastică controlată sub acțiunea unei presiuni. Realizarea funcției dorite se face atunci când o pastilă de carbon, integrată în domul de silicon, închide un circuit electric de pe placa integrată. Un avantaj major al siliconului în detrimentul competiției este dat de formele sub care se poate realiza domul și zona de contact, astfel încât obținem diferite curse și diferite senzații la apăsare, imposibil de obținut fără un material deformabil elastic.
Alte avantaje ale utilizării pieselor din silicon:
Utilizare până la 10 milioane de cicluri,
Simplitate constructivă,
Cost redus,
Construcția unei singure piese foarte complexe,
Lipsa zgomotului la utilizare,
Elasticitate foarte mare,
versatilitatea cu care se obțin diferite forme cerute,
greutatea redusă.
Fig.3 -Dom de silicon și elementele componente
Dom
Membrană flexibilă
Pastilă conductoare
Contacte electrice
2.5 Recomandări de proiectare
Limitarea proiectării maselor plastice și silicoului este bugetul. Orice piesă, oricât de complicată este, se poate obține printr-un anumit procedeu, dar la un anumit preț.
Pentru obținerea ieftină a pieselor din mase plastice, trebuie urmate și respectate în general următoarele condiții:
grosimea pereților cât mai uniformă: acest fapt este necesar datorită obținerii piesei, și anume întărirea piesei din material topit. Nerespectarea acestei condiții duce la apariția tensiunilor interne, răcirea neuniformă a materialului sau apariția abaterilor de la forma dorită sau a defectelor de suprafață.
înclinarea pereților: toate piesele sunt extrase din matrițe. Obligatoriu, aceste piese trebuie să nu aibă pereți drepți, ci înclinați într-un anumit mod pentru a permite extragerea din matriță.
răcirea piesei: sensibilitatea maselor plastice la căldură presupune răcirea pieselor obținute încă din matriță. Se face asta pentru a evita apariția deformațiilor nedorite asupra formelor pieselor la eventualele manipulări ulterioare.
păstrarea proporțiilor: nervurile de rigidizare sau orice alte geometrii perpendiculare pe sprafețe plane trebuie dimensionate foarte atent, din cauza sensibilității materialelor plastice la acumularea de tensiuni interne sau deformații datorate răcirii accelerate.
Altă problemă întâlnită în proiectarea maselor plastice o reprezintă contracția materialelor. La răcire, orice material își micșorează dimensiunile.
Acest raport de contracție este determinat de :
tipul materialului plastic,
perioada de răcire: rapidă sau încetinită,
temperatura de la care se răcește materialul (temperatura de topire).
Proiectantul trebuie să țină cont de fiecare factor care influențează contracția materialului, și să realizeze piesa astfel încât, după răcirea materialului, piesa să rămână la dimensiunile dorite și să respecte câmpul de toleranțe impus.
2.6 Linia flexibilă de fabricație si producție
Un produs modern și multidisciplinar precum cel prezentat în această lucrare necesită o linie de fabricație pe măsură. Injectarea maselor plastice, injectarea pieselor din silicon, realizarea plăcii de circuite integrate, construcția și implementarea programului necesită sisteme flexibile de fabricație.
Principala funcție a “producției” este de a asigura realizarea de bunuri materiale necesare consumatorilor.
Prin producție se înțeleg toate activitățile care implică transformări de bunuri materiale sau servicii prin consum de forță de muncă în alte bunuri materiale sau servicii, în scopul satisfacerii necesităților consumatorilor.
Fig.4 -Model de prezentare a producției
Intrările sunt reprezentate de factorii principali ai producției, adică de acele elemente
indispensabile oricărui proces de producție.
Factorii principali (indispensabili) ai producției sunt:
obiectele principale ale muncii – acele obiecte asupra cărora se acționează pentru a le transforma în produse de care are nevoie un consumator,
mijloacele de muncă – instrumentele cu care oamenii acționează asupra obiectului muncii si îl transformă în produs finit,
forța de muncă – este definită ca și totalitatea aptitudinilor fizice și intelectuale de care
dispune organismul uman și pe care le pune în funcționare omul atunci când produce,
energie.
În cadrul desfășurării producției intră mai multe activități:
depistarea necesităților oamenilor prin studierea pieței – marketing;
stabilirea concepției constructive și/sau tehnologice a produsului – proiectare;
fabricația – totalitatea activităților desfășurate pentru realizarea concretă a unui produs (bun material sau serviciu), prin consum de bunuri materiale sau servicii, forță de muncă sau energie;
vânzarea – desfacerea produsului (bun material sau serviciu), se consumă atât forță de muncă cât și alte servicii, pentru a putea desfășura normal vânzarea;
servicii după vânzare, exemplu: întreținere, reparații, asigurări de îmbunătățiri, etc.
reciclarea produsului sau materialelor din care este construit acesta;
activități organizatorice pentru corelarea tuturor acestor procese – management.
2.6.1 Structura generală a sistemelor de fabricație
Prin sistem de fabricație se înțelege totalitatea mijloacelor materiale și componente nemateriale care participă la realizarea unui produs și care sunt grupate în timp și în spațiu într-un mod bine determinat.
Deoarece între un anumit proces de fabricație și sistemul de fabricație corespunzător există o corespondență reciprocă bine determinată, se poate trece la o clasificare a sistemului de fabricație similară cu cea a procesului de fabricație.
Fig.5 -Structura unui sistem de fabricație
Deci, în cazul unui sistem de fabricație apar două tipuri de subsisteme și anume :
Subsistemul de prelucrare: realizează, în general, operațiile de prelucrare;
În componența sa intră:
operatorul uman
dispozitive de lucru
mașini de lucru
roboții industriali de prelucrare ;
Subsistemul de manipulare realizează operații de manipulare specifice procesului de fabricație. Este format din operator uman , roboți industriali de manipulare și instalații aducătoare și de evacuare.
Similar procesului de fabricație, sistemul de fabricație se clasifică în:
sistem clasic,
sistem mecanizat,
sistem automat.
Această clasificare se face în funcție de implicarea operatorului uman în proces.
Dacă subsistemul de manipulare are în componența sa doar operatorul uman, sau cu alte cuvinte, atunci când operatorul uman realizează toate funcțiile subsistemului de manipulare, atunci, se vorbește despre un sistem de fabricație clasic.
În cazul în care operatorul uman intervine prin comandă manuală, iar operațiile de
manipulare sunt realizate de manipulatoare, atunci sistemul de fabricație este unul mecanizat.
Sistemele de fabricație, care nu au în structura lor operatori umani, funcțiile de conducere fiind preluate de către sisteme de conducere avansate, se numesc sisteme de fabricație automatizate.
În cazul în care schimbarea sarcinii de fabricație este ușor de realizat și acest fapt se datorează caracterului universal al componentelor sistemului de fabricație se spune despre acel sistem că prezintă proprietăți de flexibilitate. În caz contrar, la o schimbare dificilă a sarcinii de fabricație sistemul prezintă proprietăți de rigiditate.
Problema flexibilității se complică cu creșterea numărului de tipuri de produse și cu creșterea numărului de dimensiuni constructive ale produsului.
În figura următoare este prezentată corelația dintre gradul de flexibilitate a unui sistem și nivelul de evoluție a acelui sistem (clasic, mecanizat, automat). De asemenea, mai este reprezentată și corelația dintre productivitate și nivelul de evoluție al sistemului.
Fig.6 -Corelația dintre gradul de flexibilitate și nivelul de evoluție al sistemului
Se observă o creștere a productivității în funcție de evoluția sistemului de fabricație, dar se mai observă că automatizarea nu presupune implicit și o creștere a flexibilității.
După cum se preciza anterior, mijloacele materiale și componentele nemateriale cu ajutorul cărora se realizează un produs, trebuie să fie grupate în spațiu, într-un mod bine determinat.
Gruparea în spațiu a acestora este prezentată în figura următoare:
Fig.7-Gruparea spațială a componentelor SFF
Unitatea de bază este reprezentată de un modul de fabricație materializat printr-un post de lucru. Mai multe module de fabricație formează celula de fabricație, mai multe celule de fabricație formează linia de fabricație s.a.m.d.
2.6.2 Condițiile funcționării automate
Principala caracteristică a unui proces de fabricație automatizat o reprezintă neparticiparea operatorului uman la conducerea și desfășurarea operațiilor din cadrul procesului de fabricație, rolul său fiind acela de supraveghere a procesului.
Prin automatizare se înțelege organizarea unui proces de fabricație astfel încât participarea operatorului uman la desfășurarea procesului să nu aibă loc.
Tabelul.1 -Condițiile funcționării automate a unui proces de fabricație
Dacă se analizează activitățile operatorului uman executate în cadrul unui sistem de producție clasic și modul în care se poate automatiza fiecare activitate, rezultă următoarele grupe:
manipularea obiectelor de lucru se poate automatiza prin alegerea instalației aducătoare sau de evacuare a unui robot (manipulator) respectând condiția ca sistemul să prezinte un plan de amplasare adecvat;
comanda mijloacelor de producție care efectuează prelucrarea se poate automatiza sub două aspecte și anume:
-prin automatizarea comenzilor de pornire și oprire,
-prin automatizarea propriu-zisă a desfășurării prelucrării;
automatizarea controlului și verificării calității se realizează prin automatizarea operațiilor de măsurare și control.
efectuarea unor operații auxiliare procesului: automatizarea evacuării șpanului, automatizarea aducerii materialelor auxiliare; s.a.m.d
supravegherea și întreținerea se automatizează cu ajutorul programelor de monitorizare și diagnoză.
2.6.3 Caracteristicile fabricației flexibile
Fabricarea flexibilă este caracterizată de următoarele postulate:
integrarea: permite realizarea legăturilor între subsisteme. Ea se referă atât la componentele sistemului cât și la fluxurile de materiale, energie și informație;
adaptabilitatea: permite adaptarea sistemului la diferite sarcini de lucru prin acțiuni suplimentare de modificări aduse în sistem;
adecvarea: permite adaptarea și modificarea sistemului la diferite sarcini de producție fără intervenții suplimentare asupra sistemului;
dinamica: permite realizarea unor modificări structurale asupra sistemului.
2.6.4 Noțiunea de robot industrial
Robotul industrial se definește ca fiind un manipulator programabil, controlat automat, reprogramabil, cu trei sau mai multe grade de libertate, care poate fi fix dar și mobil, folosit în automatizarea aplicațiilor industriale.
După cum se observă în definiția de mai sus sunt utilizați următorii termeni:
reprogramabil: a cărei mișcări programate sau funcții auxiliare pot fi schimbate fără realizarea de modificări fizice.
modificări fizice: modificări ale structurii mecanice sau ale sistemului de conducere, excepție făcând schimbările de suporturi de program.
Robotul este un sistem mecatronic capabil să execute operații similare cu cele executate de om cu membrele sale, brațe, sau picioare, sub supravegherea ochilor, coordonarea între mână și ochi realizându-se prin intermediul creierului.
În general astăzi se vorbește despre “robot” atât în cazul robotului industrial clasic, dar și
în cazul mașinăriilor pășitoare, robocarelor, mașinilor târâtoare, protezelor, etc. De aceea se poate introduce noțiunea de “familia robot”.
Fig.8-Familia robot
Prin structura unui sistem se înțelege modul cum acesta se compune din subsisteme (sisteme de rang inferior) și legăturile dintre acestea.
Considerând robotul un hipersistem, componentele sale sunt sistemul de comandă, care
joacă rolul sistemului nervos uman, sistemul de acționare, având rolul sistemului mușchiular și sistemul mecanic, jucând rolul scheletului (sistemului osos).
În cadrul roboților acționați hidraulic, grupul hidraulic și rețeaua de vehiculare a fluidului purtător de energie joacă rolul aparatelor respirator și circulator al omului.
Fig.9-Schema bloc a structurii robotului
Traductoarele sunt elementele care furnizează sistemului de comandă informații despre “starea internă” a robotului:
poziții și mișcări relative ale elementelor sistemului mecanic
parametrii funcționali ai sistemului de acționare (împreună cu aparatele de măsurare, în cursul comenzii manuale a roboților)
parametrii mediului (temperatură, presiune, compoziție chimică etc.)
acțiunea mediului exterior asupra robotului (forțe, cupluri etc.)
Mediul robotului este spațiul în care acesta evoluează, cu obiectele conținute și fenomenele care au loc în acel spațiu.
Legăturile dintre componentele robotului, respectiv ale acestora cu mediul sunt directe și
inverse .
Sistemul de comandă transmite comenzi sistemului de acționare, acesta acționează cuplele cinematice conducătoare (“axele”) sistemului mecanic prin (“actuatori”), care la rândul său, acționează asupra mediului prin (“efectorul final”). Toate aceste legături sunt directe.
Capitolul 3- Rezolvarea temei
3.1 Cerințele impuse de client
Asigurarea calității și respectarea cerințelor clientului sunt esențiale în cazul unui asemenea produs.
Cerințele calitative sunt stabilite de către marketing. Compania producătoare nu face decât să studieze și să producă ceea ce vrea clientul lor ulterior. Definirea produsului este tot o rezultantă din marketing, precum și generarea unui sistem de urmărire și reavizare a informațiilor în vederea analizării exigențelor clienților ulteriori.
Marketing-ul:
este principala legătură dintre firmă și client
definește cerințele clienților
culege, analizează și publică reacțiile consumatorilor
Pentru a-și putea desfășura activitatea corespunzător, firmele trebuie să dispună de sisteme și proceduri necesare realizării acestor activități.
Principala cerință impusă de client a fost respectarea formei produsului. În vederea realizării acestui lucru, au fost specificate proiectantului toate cerințele din punct de vedere mecanic.
Dimensiunile impuse trebuie respectate cu strictețe. Dacă din orice motiv, acestea trebuie modificate sau pun în dificultate dezvoltarea proiectului, este necesară înștiințarea clientului și adoptarea unei soluții cu care să fie de acord și proiectantul și clientul.
Rugozitatea, calitatea suprafețelor vizibile, culoarea pieselor și tot ce este legat de aspectul componentelor este menționat tot de client, iar dacă nu sunt specificate este important să se adopte o soluție, din nou, tot de comun acord.
Tot proiectantul mecanic trebuie să știe ce își dorește clientul în ceea ce privește tastele dispozitivului de comandă de la distanță. Există foarte multe variante constructive, foarte multe tipuri de materiale care fiecare oferă ceva diferit. Clientul specifică cursa tastelor, forța la care contactul este acționat și de asemenea nivelul de zgomot acceptat. La fel, orice cerință trebuie respectată pe cât de mult posibil, iar în cazul în care nu se poate, trebuie acceptat un compromis între proiectant și client.
În ceea ce privește componentele electronice și placa suport pentru acestea, clientul nu prea are ce să specifice în afară de preț și de iluminare(intensitate, culoare…). De aceea persoana care realizează placa de circuite integrate trebuie să respecte bugetul dar în același timp să construiască o componentă complet funcțională și de calitate.
De asemenea, nici în ceea ce privește programul pe baza căruia funcționează tot sistemul, clientul nu prea are ce să impună. Ce se poate specifica sunt intervalele de timp la care comenzile realizează funcțiile impuse.
În final, cele mai mari probleme legate de cerințele clientului apar în dezvoltatea părții mecanice. Este esențial să fie respectate toate sau cât mai multe din cerințele clientului pentru a forma o relație cu acesta în eventualele viitoare colaborări.
3.2 Proiectarea mecanică a carcaselor și a componetelor din silicon
Proiectarea mecanică a carcaselor, deja fiind stabilit tipul materialului de construcție: plastic; presupune multe eforturi, și este probabil cea mai dificilă etapă din dezvoltarea unui asemenea produs mecatronic.
În cazul de față avem 2 carcase:
una superioară
una inferioară
Dar, tot proiectantul mecanic trebuie să se ocupe și de piesele realizate din silicon. Acest fapt este recomandat deoarece plasticul și siliconul sunt foarte similare din punct de vedere al obținerii și structurii moleculare.
Piesele din silicon sunt 3 la număr:
tastele centrale
tasta de pornit/oprit
patul de silicon
Piesa principală cu ajutorul căreia obținem carcasele din plastic și tastele din silicon este matrița de injecție.
Matrița de injecție este o sculă formată din două părți:
una fixă
una mobila
În interiorul acestor două părți componente, avem scobita forma piesei pe care vrem să o obținem.
În momentul când matrița este închisă, materialul este introdus sub presiune și umple acest gol. După răcire, matrița se deschide și piesa este evacuata iar ciclul se poate relua.
În acest fel se pot obține geometrii foarte complexe, dar limitate de extragerea din matriță. O piesă foarte complexă este inutilă dacă nu se poate extrage din matriță.
Fenomenul de evitat în acest caz este ”sub-taierea”. Sub-taierea este definită ca o geometrie care nu poate fi extrasă din matriță fără a fi deteriorată mecanic, sau chiar distrusă.
De regulă, ca și în cazul turnării metalelor, la injectarea maselor plastice se preferă și se urmărește realizarea pereților pieselor cu o grosime cât mai constantă.
Acest lucru se preferă datorită apariției tensiunilor interne, datorită apariției abaterilor geometrice și datorită răcirii neuniforme a materialului.
Nerespectarea acestei condiții poate duce la:
aparitia zonelor cu tensiuni interne remanente care în timp pot afecta piesa. În aceste zone apar puncte slabe din punct de vedere al rezistenței materialului și astfel la utilizare, piesa poate ceda.
apariția abaterilor geometrice. În monentul în care avem pereți de grosimi diferite, solidificarea materialului piesei duce la apariția pereților înclinați, față de ce ne dorim.
Racirea neuniformă a materialului injectat conduce la apariția defectelor de suprafață și a tensiunilor interne. Nerespectarea cerințelor de calitate cataloghează piesa drept rebut.
Trecerea de la o suprafață cu o anumită grosime la o suprafață cu altă grosime se face lin, treptat. Se face asta pentru evitarea schimbărilor bruște de secțiune. Aceste schimbări bruște de secțiune sunt generatoare de bule și goluri în material, fenomene negative.
Important de respectat, în cazul pereților perpendiculari, este dimensionarea și realizarea unei raze de racordare corespunzătoare între acești pereți. Razele de racordare elimină zonele potențiale de acumulare a tensiunilor interne, scade abaterile geometrice cauzate de răcirea materialului și îmbunătățește caracteristicile mecanice ale produsului.
Este recomandat la piesele din material plastic, pentru îmbunătățirea rigidității, amplasarea unor nervuri de rigidizare pe pereții solicitați mecanic. Acest fapt îmbunătățește caracteristicile mecanice ale piesei, și scade probabilitatea apariției abaterilor de forma ale suprafețelor exterioare.
Unde nu sunt necesari pereți groși sau orice acumulări de material, este indicată realizarea bosajelor pentru uniformizarea grosimii pereților piesei.
3.3 Alegerea materialelor
Alegerea materialelor pentru piesele din plastic este o problemă delicată. Există o varietate foarte mare de materiale din care se poate alege. Unele sunt mai dure, altele mai moi, proprietățile variază foarte mult de la material la material.
3.3.1 Piesele din silion
Tastele sunt realizate din silicon. În acest caz, materialele disponibile nu sunt la fel de multe și variate precum cele plastice.
Cerințele care trebuie îndeplinite sunt următoarele:
numar mare de utilizări
aderenta unui strat de vopsea pe suprafața tastei
transparență acceptabilă pentru iluminare
După stabilirea materialului, sunt necesare următoarele:
realizarea liniei de producție. Aceasta presupune matrița de injecție a siliconului și toate instalațiile necesare procedeului
realizarea liniei de vopsire: Tastele fiind vizibile, se impun cerințe stricte de calitate și de aspect. Clientul specifică în acest caz culoarea tastelor. Cum se realizează asta, și cu ce materiale, este o problemă a companiei producătoare.
Procedeul vopsirii tastelor va fi tratat pe larg într-un capitol ulterior.
realizarea liniei de inscripționare a simbolurilor pe taste: Fiecare tastă are un anumit simbol. Acesta va fi realizat prin utilizarea unui fascicul laser, care va elimina stratul de vopsea dintr-o anumită zonă de pe tastă.
3.3.2 Piesele din plastic
Deși sunt două piese distincte, aceste două carcase au aceleași cerințe. De aceea, alegerea materialelor în acest caz va fi identică, un material fiind utilizat pentru ambele carcase.
În urma analizării varietății foarte largi de mase plastice existente și cerințelor care trebuie îndeplinite de materialul carcaselor, am ajuns la concluzia că Polipropilena este candidatul ideal pentru acest produs.
Polipropilena este un polimer termoplastic obținut prin polimerizarea propilenei în prezența unor catalizatori.
Materialul brut se prezintă într-o formă inodoră și incoloră, având o transparență de aproximativ 60%, dar care poate fi îmbunătățită până la 90% prin extragerea unor componente chimice din structura acestuia.
Polipropilena are caracteristici mecanice superioare precum:
Stabilitate dimensională
Caracteristici mecanice superioare
Claritate și luciu
Rezistență la lumina ultra-violeta
Rezistență la șocuri
Rezistență la grăsimi și uleiuri
Stabilitate mare la umiditate
Foarte bună rezistență chimică
Rezistență la fisurare
Greutate specifică mică
Toxicitate foarte redusă
Proprietățile negative ale propilenei sunt:
Ușor inflamabilă
Absoarbe umiditatea și alte elemente din aer
Este impermeabilă la lipici
Polipropilena este cunoscută pentru rezistența sa mare la îndoire și pentru elasticitatea sa remarcabilă.
Din aceste motive polipropilena este materialul ideal pentru carcasele produsului dezvoltat în lucrarea prezentă.
Materialele brute necesare producției vor fi livrate de un furnizor stabilit ulterior, sub formă de pulbere sau de granule.
3.4 Componente achiziționate
Producția este principalul proces care aduce venituri unei companii producătoare. Dar, uneori, compania nu este capabilă să realizeze unele piese din considerente economice, calitative sau din cauza numărului relativ mic de piese necesare.
Din produsul dezvoltat în această lucrare, consider că firma producătoare este capabilă să proiecteze și să realizeze următoarele:
placa integrată de circuite
carcasa superioară
carcasa inferioară
tastele și patul din silicon
programul necesar funcționarii produsului
Totuși, în produsul nostru avem mai multe componente, care nu vor fi produse intern, ci vor fi achiziționate de la companii cu care avem contracte de colaborare.
Produsele achiziționate de la companii externe sunt:
acumulatorul intern
led-ul emițător de lumină infraroșie
panoul solar
micro întrerupătorul
3.4.1 Acumulatorul
Acumulatorul intern este unul Li-Ion, de tip “pastilă”, modelul 2032, și este prezentat în figura următoare:
Fig.10-Acumulatorulul LIR 2032 utilizat în produsul dezvoltat
Caracteristicile acumuatorului sunt următoarele:
Dimensiuni: 20mm x 3.2mm
20mm – diametru
3.2mm – grosime
Greutate: 3.1 grame
Tensiune nominală: 3.6V
Tensiune maximă: 4.2V
Capacitate nominală: 50 mAh
Curentul maxim descărcat: 75 mA
3.4.2 Dioda emițătoare de lumină
LED-ul emițător de lumină infraroșie este produs de HAMATSU. Cel utilizat în produsul dezvoltat este modelul L10660.
Fig.11-Ledul utilizat în produs
Caracteristicile diodei emițătoare de lumină în spectrul infraroșu sunt următoarele:
Curentul necesar alimentării: 50 mA
Lungimea de undă a luminii emise: 1.45 µm
Fluxul radiant: 2.4 mW
Tensiunea de alimentare: 1.5 V
Desenul led-ului și dimensiunile sale, de pe pagina de internet a producătorului este următorul:
Fig.12-Dimensiunile ledului
3.4.3 Panoul solar
Datorită constructiei unice a produsului și dimensiunilor necesare ale panoului solar, această piesă va trebui realizată la comanda de o companie specializată. Panoul solar care va fi integrat în produsul dezvoltat în această lucrare este următorul:
Fig.13-Panoul solar montat în produs
Caracteristicile panoului solar:
Dimensiuni:30mm x 15 mm
Suprafață: 450 mm²
Tensiune de ieșire: 4 V
Curent maxim ieșire: 80mA
Puterea maximă: 0.32 W
Durata de viață: aproximativ 20 de ani
În concuzie, un asemenea panou solar, realizat la comandă de o companie externă, poate alimenta cu ușurință un acumulator precum LIR 2032, indiferent de natura luminii convertită în tensiune electrică: naturală de la soare, sau artificială de la surse de lumină create de om.
De asemenea, acumulatorul folosit este capabil să-i ofere LED-ului tensiunea și curentul necesar funcționării în parametrii optimi.
3.4.4 Micro întrerupătorul
Tastele centrale sunt gândite și realizate în mod diferit față de butonul de pornit/oprit.
Tastele centrale nu sunt iluminate, așa că sub ele nu este necesară o sursă de lumină. De asemenea, senzația de apăsare este oferită de patul de silicon de sub taste.
În schimb, butonul de pornit/oprit, trebuie iluminat. Iluminarea nu poate fi eliminată, fiind o cerință de la client.
Soluția constructivă în această situație este folosirea unui micro-intrerupator specializat în această funcție.
Micro-intrerupatorul respectiv este realizat de Marquardt, o companie germană. Are încorporat în el un LED, care va fi pornit odată cu acționarea butonului, și oprit în momentul când mai este acționat. Deci dacă tasta de pornit/oprit este iluminată, înseamnă că dispozitivul comandat este activ.
Acest modul are integrat în componența sa un dom de silicon care conferă senzația de apăsare.
Sub-ansamblul este următorul:
Fig.14-Micro-întrerupător Marquardt
Caracteristicile produsului:
Greutate: 0.36g
Tipul contactului: Normal deschis
Contact: Placat cu aur
Rezistență internă: <100 mOhm
Temperatura de funcționare: între -40˚C…+95˚C
Forța de acționare: 4±0.5 N
Cursa maximă: 2.9 mm
Desenul tehnic al micro-intrerupatorului cu dimensiunile acestuia este reprezentat de figura următoare:
Fig.15-Cotele micro-întrerupătorului
3.5 Proiectarea unei matrițe de injectare
Matrița de injectat este piesa principală a procesului de injecție. Realizarea acesteia trebuie să fie foarte precisă, astfel încât piesele rezultate prin injecție să îndeplinească cerințele impuse.
Clasificarea matrițelor:
După numărul de cuiburi:
matrite cu un singur cuib
matrite cu două sau mai multe cuiburi
După sistemul de injectare:
cu injectare directă
cu injectare punctiformă
cu canale de distribuție
cu canale încălzite
După modalitatea de acționare a sistemului de aruncare:
cu aruncare mecanică
cu aruncare pneumatică
cu aruncare hidraulică
După numărul planelor de separație
cu un singur plan de separație
cu două sau mai multe plane de separație
După modul de scoatere a piesei din matriță:
cu tije aruncătoare
cu bacuri
cu deșurubare
În cele ce urmează, sunt prezentate etapele de calcul și de proiectare a matriței de injecție pentru carcasa superioară a dispozitivului:
Calculul masei reperului
Pentru determinarea numărului de cuiburi al matriței si pentru alegerea sistemului de injectare este necesară determinarea masei reperului
m=ρ∙V [g] (1)
ρ-este densitatea materialului folosit in [g/cm³]
ρ=0.91 [g/cm³]
V=12[g]
m=0.91∙12=10.92 [g]
La alegerea mașinii de injectat, se are în vedere ca volumul maxim de injectare al mașinii să fie de cel puțin 10-15 ori mai mare decât volumul reperului care se dorește a fi obținut.
Am ales mașina de injectat MI 1000/335 cu următoarele caracteristici:
Tabelul.2-Proprietățile mașinii de injecție
Calculul duratei totale a ciclului de injectare
Timpul total de injectare se determină cu relatia:
(2)
-timpul de injectare se calculează cu relația:
(3)
V-volumul reperului
-viteza de deplasare a materialului din caracteristicile mașinii
(4)
-timpul de menținere a presiunii în matrită. Aleg ]
-se alege în raport cu alte piese asemănătoare. Aleg ]
-timpul de pauză se alege în raport cu alte piese. Aleg
[s]
Calculul numărului de cuiburi
Numărul maxim de cuiburi al matriței de injectat se determină în majoritatea cazurilor in funcție de dimensiunile piesei de obținut și de capacitatea mașinii de injectat.
(5)
G-capacitatea de plastifiere a masinii de injectare. G=110 [kg/h]
m-masa reperului. m=12 [g]
-durata completă a ciclului de injectare. =40.031 [s]
Dimensionarea cuiburilor în funcție de contracția materialului plastic.
Dimensiunile elementelor active trebuie să asigure dimensiunile prescrise ale piesei injectate, după răcire.
Pentru evitarea rebuturilor, este necesar ca elementele active să fie dimensionate corect astfel încât după răcire piesa să se încadreze în toleranțele prescrise.
Valoarea contracției polipropilenei este între 1.0-2.5 [%].
Dimensionarea cuiburilor va fi următoarea:
(6)
D-dimensiunea cuibului
H-dimensiunea piesei obtinute
-contracția maximă a materialului
-contracția minimă a materialului
Statistic, se acceptă cuiburile mărite cu 0.75% din dimensiunile piesei de obținut pentru ca piesele rezultate sa se încadreze în câmpul de toleranțe impus.
Alegerea sistemului de injectare
Sistemul de injectare al matriței este compus din: duză, canale de distribuție și diguri prin care materialul plastic ajunge la cuiburi.
Injectarea prin canale de distribuție se folosește în cazul matrițelor cu mai multe cuiburi.
Fig.16-Injectarea prin canale de distribuție
În vederea amplasării optime a cuiburilor în matrița de injectat trebuie să se respecte următoarele reguli:
lungimea de curgere a materialului plastic prin canalele de distribuție trebuie să fie cât mai mică
umplerea cuiburilor trebuie să fie pe cât posibil, simultană
distanța între cuiburi trebuie să fie suficient de mare pentru ca piesele să poate fi răcite
Dimensionarea canalelor de distribuție
Secțiunea canalelor de distribuție a fost aleasă cea circulară. Dimensionarea canalelor circulare se face în felul următor:
(7)
D-diametrul canalelor de injectare
-grosimea maximă a peretelui injectat
Determinarea debitului de material plastic
Debitul de material plastic injectat prin canalul de distribuție se calculează cu următoarea relație:
(8)
S-aria sectiunii de curgere în [cm²]
v-viteza de injectare din caracteristicile mașinii în [cm/s]
(9)
Calcului presiunii interioare de injectare
Valoarea presiunii interioare din cuibul matriței poate fi dedusă din presiunea exterioară cu relatia:
(10)
Presiunea exterioară de injectare a mașinii pentru polipropilenă este cuprinsă între 1200 și 1800 [daN/cm²].
Analizând piesa necesară, și privind tipurile de matrițe, am nevoie de următoarea matriță:
matrită cu 4 cuiburi, cu injectare cu canale de distribuție, cu un singur plan de separație și cu tije aruncătoare.
În figura următoare este figurată această matriță, realizată de mine pentru obținerea unei carcase:
Fig.17-Matrița de injectare
Fig.18-Profilul carcasei în interiorul matriței
3.6 Proiectarea părții electronice
Partea electronică a produsului cuprinde un circuit imprimat cu o varietate de componente electrice și electronice interconectate între ele pentru a realiza sarcina dorită și anume funcționarea unei diode emițătoare de lumină infraroșie.
Se pleacă de la o placă brută, cu grosimea de 1.6 mm. Placa brută este izolatoare din punct de vedere electric, și are o folie de cupru pe o parte unde vor fi montate componentele electronice.
Circuitul imprimat este realizat prin metode foto sau chimice. Materialul izolator din care se formează stratul de bază este un plastic special numit poliamidă. Acest material este dur, elastic și are un punct de topire înalt.
Se deosebesc două procedee de montare a componentelor electronice pe stratul de bază a circuitului imprimat:
THT – “True hold technology”
SMT – “Surface mount technology”
Tehnologia THT presupune asamblarea componentelor electronice pe placa imprimată prin penetrarea plăcii de pinii componentelor. Astfel rezultă o asamblare stabilă, durabilă și de o calitate foarte bună. Dar, astăzi, acest procedeu este foarte puțin folosit de producătorii mari deoarece are un preț ridicat.
Tehnologia SMT este utilizată pe scară largă în toate domeniile care folosesc placi imprimate. Presupune lipirea componentelor electronice pe placa de bază prin topirea unui metal și sudarea componentei de placa imprimată prin răcirea metalului. Materialul cel mai des utilizat pentru realizarea lipirii este cositorul. Acest procedeu este cel mai utilizat în momentul de față datorită prețului mai scăzut în raport cu alte procedee.
Pentru produsul devoltat în această lucrare am ales ca și procedeu de realizare a plăcii imprimate tehnologia de montare a componentelor electronice pe suprafața plăcii.
Elementele componente necesare realizării unei plăci imprimate funcționale pentru produsul de față sunt următoarele:
Blocul sursei de tensiune și sub-componentele sale
Blocul selectării frecvenței și sub-componentele sale
Blocul divizor de frecvență și sub-componentele sale
Bocul tastelor și sub-componentele sale
Blocul oscilatorului și sub-componentele sale
Multiplexarea
3.6.1 Blocul sursei de tensiune și sub-componentele sale
Sursa de tensiune are rolul de a asigura o diferență de potențial între bornele sale. În cazul de față, este vorba despre preluarea tensiunii și curentului generat de panoul solar și transferul energiei în acumulator, precum și alimentarea diodei emițătoare de lumină infraroșie din acumulator. Pentru realizarea acestui lucru, este necesar un bloc sursă cu mai multe componente. Acest bloc este prezentat în cele ce urmează:
Fig.19-Sursa de tensiune și componentele sale
CEL_SOL – reprezintă panoul solar ( celula fotovoltaică ) și are rolul de a transforma intensitatea luminoasă în tensiune și curent electric.
F1- reprezintă o siguranță fuzibilă care are rolul de a proteja componentele elctronice în cazul unei fluctuații de curent.
D1- reprezintă o diodă simplă și are rolul de a dirija energia electrică de la panoul fotovoltaic spre acumulator, și nu invers.
D2- reprezintă o diodă Zener și are rolul de a stabiliza tensiunea și de a proteja circuitul electronic
C1- este un condensator electrolitic, folosit în schemă pentru netezirea curentului din circuit.
U2- este o rezistență electrică, folosită pentru limitarea curentului care intră în acumulator.
C3- este un condensator care este folosit pentru netezirea și mai bună a curentului, după ce acesta trece prin toate celelalte componente ale sursei.
3.6.2 Blocul selectării frecvenței și sub-componentele sale
Acest bloc are rolul de a transforma contactele butoanelor în coduri binare care să fie recunoscute de microprocesor.
Pentru realizarea acestui lucru se folosesc diode semiconductoare:
Fig.20-Selectarea frecvenței
B1- butonul 1
B2- butonul 2
B3- butonul 3
B4- butonul 4
D4…D11- diode semiconductoare
A1- bitul 1
B1- bitul 2
C1- bitul 3
Diferențierea și selectarea frecvențelor se face folosind trei biți. Reprezentarea în cod binar este următoarea:
0 0 0 = rezervă
0 0 1 = rezervă
0 1 0 = B5
0 1 1 = B4
1 0 0 = B3
1 0 1 = B2
1 1 0 = B1
1 1 1 = rezervă
3.6.3 Blocul divizor de frecvență și sub-componentele sale
Pentru că dioda emițătoare de lumina infraroșie are nevoie de frecvențe diferite ale energiei de alimentare pentru fiecare buton în parte, avem nevoie de un bloc divizor pentru realizarea acestei funcții.
Fig.21-divizorul de frecvență
Q0 –
Q1 –
Q2 – Frecvențele de ieșire din divizorul de frecvență
Q3 –
Q4 –
3.6.4 Blocul tastelor și sub-componentele sale
Prin natura construcției lor, tastele sunt echivalentul unor contacte normal-deschise. Ele sunt reprezentate în figura următoare:
Fig.22-Contactele normal-deschise ale tastelor
3.6.5 Blocul oscilatorului și sub-componentele sale
Oscilatorul este în sinea sa un cristal de cuarț folosit pentru transformarea tensiunii aplicate la două fețe opuse ale cristalului în vibrație mecanică pe direcția opusă polarizării, direct proporțională cu tensiunea aplicată.
Dacă frecvența tensiunii aplicate coincide cu o frecvență proprie a cristalului de cuarț, apare un fenomen de rezonanță. Acest fenomen este caracterizat de pierderi foarte mici de energie, datorate doar frecărilor interne, astfel rezultând un consum mic de energie echivalent cu pierderile.
Aceast bloc oscilator are nevoie de componente interne suplimentare care să îi permită funcționarea, și anume:
R1 – rezistență
C2 – condensator
Tot ansamblul este folosit pentru generarea de semnale sonore emise în cazul în care în sistem apar erori.
Oscilatorul este prezentat în figura următoare:
Fig.23-Oscilatorulul
3.6.6 Multiplexarea
Pentru realizarea multiplexării semnalelor, este necesară folosirea unui multiplexor CD4051BP realizat de Texas Instruments. Este un multiplexor 8:1, având în principiu opt intrări și o singură ieșire. Alegerea ieșirii se face în funcție de codul binar fomat de cei trei biți de control, care selectează o intrare din cele opt și o transmite la ieșire.
Multiplexarea semnalelor este prezentată și explicată în cele ce urmează:
Fig.24-Multiplexarea semnalelor
Biții de control: A1, B1 și C1 reprezintă o tensiune până la +5V, realizată de rezistențele R2, R3 și R4.
Combinațiile care pot fi realizate de acești trei biți de control sunt următoarele:
Tabelul.3-Biții de control
Q0 –
Q1 –
Q2 – Frecvențele de ieșire din divizorul de frecvență
Q3 –
Q4 –
Frecvențele de ieșire din divizorul de frecvență și constituie intrările multiplexorului echivalente fiecărei din cele cinci taste. Când biții de control desemnează una din aceste valori, spre dioda emițătoare de lumină infraroșie este emis un semnal cu frecvența indicată de aceste semnale, astfel emițându-se un semnal luminos unic reprezentând o funcție.
La ieșirea Q1 a multiplexorului, este montată o rezistență care are rolul de a limita curentul cu care este alimentată dioda emitatare de lumina infraroșie D3.
Anexată la lucrare este schema completă de funcționare a circuitului imprimat cu toate componentele sale.
3.7 Proiectarea părții software
Proiectarea părții software este etapa în care se construiește programul necesar funcționării produsului.
Am ales să folosesc proiectarea arhitecturală pentru a rezolva cerințele sistemului și nu numai.
Proiectarea arhitecturală trebuie să specifice rolul fiecărei componente, cerințele care i-au fost alocate și interfața de comunicare cu celelalte componente ale sistemului.
Proiectarea arhitecturală este o structură ierarhică alcătuită din subsisteme interconectate, fiecare subsistem fiind alcătuit dintr-un set de module interconectate.
Diagrama arhitecturală:
Fig.25-Diagrama arhitectrală de program
3.7.1 Blocurile arhitecturii
Sistemul de operare – este partea centrală a programului. El gestionează celelalte blocuri
Managementul intrerupatoarelor- are rolul de a supraveghea întrerupătoarele pentru a sesiza schimbările de stare.
Diagnoza- este blocul care se ocupă cu detectarea anomaliilor din sistem și generarea de rapoarte care să evidențieze defectele sau eventualele erori din sistem.
Iluminare- acest bloc se ocupă cu pornirea și oprirea iluminării tastei sau tastelor iluminate după specificațiile introduse de programator.
Senzor infraroșu- este blocul care supraveghează și controlează senzorul infraroșu.
Managementul curentului- acest bloc se ocupă cu supravegherea și controlul curentului care pleacă din acumulator spre consumatori.
Reîncarcare- acest bloc decide când pornește reîncărcarea sau când se oprește acumulatorul din reîncărcat.
3.7.2 Timpii de răspuns
În cadrul programării efective, se lucrează cu unități de timp extrem de precise, de oridinul milisecundelor.
Luăm ca referință câteva intervale de timp precum următoarele:
4 ms
8 ms
16 ms
32 ms
128 ms
512 ms
Sistemul de operare, respectiv blocurile arhitecturii verifica la anumite intervale de timp starea contactelor sau circuitelor care le supraveghează.
Prima problemă este apăsarea unei taste.
Cum recunoaște programul apăsarea unei taste? Dacă blocul întrerupătoarelor sesizează o schimbare de stare logică din 0 în 1, tasta este apăsată sau este doar un zgomot?
Rezolvarea problemei este următoarea. Consider că blocul responsabil cu contactele verifică stările logice ale contactelor la fiecare 4 ms. În momentul în care s-au sesizat cinci semnale consecutive de 1 logic, înseamnă că tasta este într-adevăr acționată, și nu este vorba de un zgomot intern.
Deci, dacă pe durata a 5 cicluri de câte 4 ms blocul detectează stare 1, înseamnă că avem apăsarea unei taste și putem transmite mai departe comanda.
3.7.3 Pornirea și oprirea luminilor
Blocul care este responsabil de iluminare poate fi setat de exemplu la o perioadă de 32 de ms. În cazul în care lumina trebuie oprită, aceasta se va face la cel mult 32 ms de la trimiterea semnalului de oprire. 32 de ms este o perioadă de timp insesizabilă pentru ochiul uman.
3.7.4 Celula fotovoltaică
La fel, operațiile care trebuie să le execute celula fotovoltaică trebuie verificare periodic. Pentru această componentă, am ales o indexare de 512 ms. Orice schimbare a stării de reîncărcare a acumulatorului, sau de oprire a reîncărcării acumulatorului va fi verificată la fiecare 512 ms.
Perioadele de timp trebuie alese foarte atent. În unele cazuri este necesară o perioadă foarte mică de timp pentru a oferi o sensibilitate foarte bună, dar în alte cazuri o asemenea precizie nu este necesară.
Fiecare verificare a stării consumă din puterea acumulatorului, și din motive de conservare a energiei este necesară alegerea eficientă a acestor perioade de timp.
3.7.5 Managementul energetic
Programul se ocupă de managementul curentului din acumulator. Cum fiecare componentă consumă curent pe toată perioada de activitate, se impune problema eficientizării consumului. Se pot scrie protocoale care să facă exact asta.
Iau ca exemplu o neutilizare a sistemului pe o perioadă de timp. Tot acest timp produsul nu este folosit, dar componentele electronice trebuie să ruleze și să fie pregătite pentru acționare. Această rulare consumă curent din acumulator.
Se impune eficientizarea energetică. Aceasta se face prin introducerea instructiunilor de “somn” și “trezire”.
În momentul în care produsul nu este acționat timp de 5 secunde, toate componentele sunt trecute în faza de “somn”. În această fază consumul de curent este redus la minim, rulând doar omponentele care anulează această comandă la reluarea activității.
Instantaneu, la apăsarea oricărei taste, comanda de “somn” este anulată și produsul este funcțional în totalitate.
Fig.26-Eficientizarea energetică
3.7.6 Reîncărcarea acumulatorului
Reîncărcarea acumulatorului trebuie monitorizată. Valoarea tensiunii din acumulator este convertită în cod binar și interpretată de sistemul de operare.
Când această tensiune scade sub o anumită valoare, setată de programator, reîncarcarea acumulatorului este pornită.
În schimb, când această tensiune atinge o valoare setată de programator, instrucțiunea de reîncărcare a acumulatorului este oprită.
Luăm de exemplu un acumulator de 5V. Când tensiunea scade sub 4V, este rulată comanda de pornire a reîncărcării. Când tensiunea atinge 4.8V, este inițiată comanda de stop reîncărcare.
Fig.27-Monitorizarea reîncărcării
3.7.7 Diagnoza
Blocul de diagnoză este unul foarte important. El sesizează eventualele erori din sistem și transmite problema mai departe.
În cele ce urmează vor fi prezentate erorile care pot apărea în utilizarea produsului și cum reacționează sistemul de operare la depistarea erorilor.
Un buton blocat în starea de apăsat- acest lucru nu este normal prin natura construcției. Tastele au funcții care se realizează cu o singură apăsare, și nu este necesară și nici benefică mentinearea tastei apăsată o perioadă de timp mai mare de câteva secunde.
De aceea, când sistemul detectează o tastă apăsată o perioadă de timp mai mare de un minut, se impune luarea de măsuri, și anume:
Dezactivarea butonului. Chiar dacă tasta este apăsată, aceasta nu mai transmite nici un semnal mai departe. Aceasta este o măsură de protecție a componentelor interioare și de conservare a energiei.
În momentul în care sistemul detectează eliberarea tastei, adică 0 logic , aceasta tasta este deblocată și este din nou funcțională în cazul în care este acționată.
Fig.28-Blocarea și deblocarea unei taste
Detectarea 0 logic în sistem. 0 logic, adică lipsa tensiunii, nu este posibilă. De regulă, este ceva foarte mic, dar niciodată 0 logic.
Dacă 0 logic este detectat înseamnă că avem o întrerupere a circuitului, o avarie, și sistemul trebuie să ne atenționeze că ceva nu este în regulă și nu este detectată tensiune.
Detectarea tensiunii maxime de asemenea nu este în regulă. Acumulatorul este limitat din program să nu se încarce mai mult de o anumită tensiune, care este puțin mai mică decât tensiunea maximă.
Detectarea tensiunii maxime reprezintă un scurt circuit și de asemenea trebuie semnalizată corespunzător.
În vederea semnalizării acestor două erori, de 0 logic și tensiune maximă, pe placa printată trebuie montată o pastilă piezoelectrică din cuarț, care în momentul detectării acestor erori să emită un semnal acustic corespunzător erorii.
Calitativ, arhitectura software este clasificată după:
adaptabilitatea sa
eficiența sa
usurinșa înțelegerii sale
3.8 Rolul fiecărei componente din ansamblu
Fiecare componentă din ansamblu are un rol critic în proiect. În ceea ce urmează sunt prezentate toate componentele ansamblului și funcționalitatea lor:
3.8.1 Carcasa superioară
Fig.29-Carcasa superioară
Aceasta carcasă din plastic are rolul de a proteja componentele interne de intervenție externă, are rolul de a-i oferi integritate produsului și de a-i da forma dorită.
Trebuie să fie dură, stabilă și să aibă o calitate foarte bună a suprafețelor care sunt la vedere.
În partea interioară, această componentă are niște pini. Acești pini au rolul de ghidaje, realizând conducerea în locul dorit în momentul asamblării, și fixarea acesteia cu cealaltă carcasă. Asamblarea acestora se face cu strângere, prin presarea unor pini în niște locașe din carcasa inferioară.
3.8.2 Carcasa inferioară
Fig.30-Carcasa inferioară
Această componentă este a doua carcasă a ansamblului. Trebuie să fie la fel de dură ca și prima, din acest motiv ambele sunt construite din același material de calitate superioară, și anume Polipropilenă.
Are același rol principal ca și carcasa superioară, și anume de a oferi protecție pentru componentele interne și realizarea formei dorite.
Pe lângă acestea, carcasei inferioare îi revine rolul de suport pentru placa de circuite integrate. În vederea realizării a acestui fapt, carcasa este dotată cu cinci nervuri susținătoare realizate în interior. Pe acestea se va sprijini placa de circuite integrate.
Vorbeam mai sus despre asamblarea cu strângere a celor două carcase. Elementele din carcasa superioară vor fi ghidate în cele patru domuri realizate în carcasa inferioară, presate și astfel asamblarea este una demontabila, nedistructivă și ușor de realizat.
3.8.3 Placa de circuite integrate
Fig.31-Placa de circuite integrate
Aceasta este cea mai scumpă componentă a ansamblului. Ea conține toate componentele elecronice, vitale oricărei funcții realizate.
Componente:
acumulator
contacte placate cu aur
panoul solar
Led-ul emițător de lumină infraroșie
micro-intrerupatorul
Rolul acestei componente este de a transforma o mișcare mecanică, de natură analogică, într-un semnal electric, digital, și apoi transformarea acestui semnal într-un fascicul luminos reprezentând un semnal de comandă.
Stratul suport pentru componentele electronice este unul din plastic cu caracteristici speciale, standardizat, de 1.6 mm grosime.
3.8.4 Tastele
Fig.32-Tastele utilizate pentru functii
Fig.33-Tasta de pornit/oprit
Tastele sunt construite din silicon, și au rolul de a simboliza fiecare funcție a emițătorului. Siliconul a fost ales ca material de construcție datorită consistentei, elasticității sale, senzației oferite la atingere și calității suprafeței exterioare.
Pe lângă rolul de simbolizare, tastele mai au rolul de a transmite mai departe mișcarea necesară acționarii.
În cazul de față, tastele au următoarele roluri:
pornirea/oprirea dispozitivului acționat
deplasarea spre înainte a dispozitivului acționat ˄
deplasarea spre înapoi a dispozitivului acționat ˅
rotirea spre stânga a dispozitivului acționat ˂
rotirea spre dreapta a dispozitivului acționat ˃
acceptarea poziției curente și staționarea în acel loc ok
3.8.5 Patul de silicon
Fig.34-Patul de silicon
Această componentă este realizată de asemenea din silicon. Rolul ei este de a face legătura între taste și contactele de pe placa imprimată.
Deasupra domurilor sunt așezate tastele, iar sub domuri se află niște pastile de carbon care în momentul când sunt acționate închid un contact pe placa imprimată și realizează funcția dorită.
Elasticitatea siliconului realizează revenirea automată a tastei în poziția inițială după încetarea forței. Tot prin elasticitatea siliconului, tastele vor fi tot timpul pre apăsate. Acest lucru se realizează prin stabilirea unei coliziuni între taste și patul de silicon, care elimină orice joc și implicit orice zgomot nedorit.
Alt rol al acestei componente este de a oferi senzația de apăsare. În momentul în care pastila de carbon atinge placa imprimată, patul de silicon conferă o senzație de apăsare unică.
3.9 Asamblarea produsului
Cum aminteam și mai sus, fiind un produs multi disciplinar, este nevoie de existența mai multor utilaje din diferite domenii.
În acest capitol va fi prezentată o linie flexibilă de asamblare, unde toate piesele vor fi asamblate formând produsul final.
3.9.1 Prezentarea produsului
Fig.35-Produsul final
Acesta este produsul final, realizat la comanda unui client, după specificațiile sale, în limita bugetului oferit.
Produsul face parte din familia ansamblelor complexe de comandă operate de la distanță, și este relativ scump în raport cu alte piese cu funcții asemănătoare.
3.9.2 Prezentarea liniei de asamblare și posturile de lucru
Așa cum se poate observa și în figura de mai jos, am notat fiecare post de lucru cu AP pentru a putea în cele din urmă să prezint fiecare operație în parte.
Linia este formată din 8 posturi de lucru, dintre care 6 de asamblare și montaj și 2 posturi de testare.
Fig.36-Linia de asamblare cu posturile de lucru
Ca și SDV-istica, sau ca și componentele tehnologice, linia este destul de complexă, întâlnind:
prese hidraulice
prese manuale de prindere sau fixare
dispozitive electropneumatice de montare și verificare
instalații intermediare de asigurare a funcționalității
dispozitive automate de prindere și fixare
brațe robotice de montaj
Fig.37-Linia de asamblare
Transportul componentelor de la un post de lucru la altul se face prin intermediul unor cărucioare transportoare care rulează pe o bandă rulantă prevăzută cu o curea transportatoare în lanț.
3.9.3 Analiza fiecărui post de lucru
Postul de montaj numărul 1 respectiv AP1:
Postul de montaj AP1 este unul dintre cele mai ușoare posturi de lucru și cuprinde o singură operație: introducerea plăcii de circuite integrate.
Operația se realizează manual, utilizând un braț robotic de montaj care realizează ghidarea și fixarea.
Fig.38-Montajul plăcii integrate în carcasa inferioară
Postul de montaj numărul 2 respectiv AP2:
În cadrul postului 2 de lucru se realizează operația de asamblare a patului de silicon, deasupra plăcii de circuite integrate.
De asemenea, această operație este executată manual și este asistată de un braț robotic de montaj care realizează ghidarea și fixarea.
Fig.39-Montajul patului de silicon
Postul de montaj numărul 3 respectiv AP3:
În cadrul postului de lucru 3, se vor executa două operații, și anume poziționarea și fixarea tastelor centrale și respectiv poziționarea și fixarea tastei de pornit/oprit.
Acest pas este unul mai delicat datorită poziționării mai precise a tastelor și fixării vulnerabile până la următorul pas. Din aceste motive, această operație va fi realizată automat de manipulatoarele robotice cu care este dotată linia, iar intervenția umană va fi limitată de poziționarea subansamblului rezultat de la postul de lucru 2.
Fig.40-Fixarea tastelor
Postul de montaj numărul 4 respectiv AP4:
Postul de montaj numărul 4 reprezintă poziționarea carcasei superioare în intermediul subansamblului rezultat din postul de lucru numărul 3.
Este o operație grea și complexă, și de aceea este realizată manual și asistata de manipulatoare robotice.
Carcasa superioară trebuie poziționată astfel încât cei 4 pini de ghidare să intre în domurile destinate acestora, iar pe lângă asta trebuie avută în vedere și poziția tastelor, deoarece și acestea trebuie să fie poziționate pentru a intra în carcasa superioară.
Fig.41-Poziționarea carcasei superioare
Postul de montaj numarul 5 respectiv AP5:
Postul de lucru 5 este destinat unei singure operații, și anume presarea carcasei superioare în carcasa inferioară.
Pentru realizarea acestui lucru, este necesară o presă acționată manual de operatorul uman care comandă începutul operației.
După realizarea efectivă a presarii, subansamblul își continuă drumul spre postul următor.
Fig.42-Presarea carcasei superioare
Postul de montaj numărul 6 respectiv AP6:
Acesta este ultimul post de lucru. Este destinat montajului panoului solar în carcasa superioară.
Este o operație delicată, și din acest motiv este realizată de un robot. Rolul operatorului uman este să verifice poziționarea subansamblului în locul marcat, și să dea comanda începerii operației.
Panoul solar are un adeziv pe spate, iar după montaj acesta îi conferă solidaritate cu carcasa.
Motivele pentru care această operație este automată sunt următoarele:
fragilitatea panoului necesită o manipulare precisă
montajul celor 2 pini ai panoul în placă de circuite integrată este una foarte precisă și este realizabilă fără greșeală doar de un robot.
Fig.43-Montajul panoului solar
Postul de testare numărul 7 respectiv AP7:
Acest post de testare are rolul de a testa funcționalitatea ansamblului.
La acest post, tasta de pornit/oprit este apăsată, iar un receptor de lumină infra roșie detectează semnalul emis de produsul proaspăt asamblat.
Dacă semnalul este detectat, pe monitorul postului de lucru va apărea o pictogramă verde care semnifica funcționalitatea produsului, și acesta poate trece mai departe.
În caz contrar, produsul este considerat defect și va fi trimis la analizat.
Postul de testare numărul 8 respectiv AP8:
Acesta este al 2-lea post de testare, și presupune o analiză vizuală a exteriorului produsului. Operatorul uman cauta defecte vizuale survenite în procesul de producție a componentelor dar și eventualele deteriorări pe parcursul asamblării.
La ultimul post, AP9, produsele sunt ambalate și pregătite pentru transport.
După parcurcerea acestor pași, produsul este livrat clientului gata să fie utilizat.
3.10 Calculul de toleranțe
Fiecare piesă care face parte dintr-un ansamblu are suprafețe specifice care intră în contact cu suprafețe ale altor piese. Aceste suprafețe sunt caracterizate de o anumită netezime și rugozitate.
Pentru a cunoaște precizia dimensională a unei piese este nevoie de următoarele noțiuni:
dimensiunea efectivă: este dimensiunea unei piese obținută prin măsurare
dimensiunea limită: sunt dimensiunile extreme ale piesei (maxim și minim)
câmpul de toleranță: zona cuprinsă între dimensiunea maximă și minimă
jocul: este relația dintre două piese, la care dimensiunea minimă a piesei cuprinzătoare este totdeauna mai mare decât dimensiunea maximă a piesei cuprinse.
strângerea: este relația dintre două piese la care dimensiunea maximă a piesei cuprinzătoare este totdeauna mai mică decât dimensiunea minimă a piesei cuprinse.
În cele ce urmează, se va realiza un calcul de toleranțe pentru tasta de pornit/oprit a ansamblului proiectat.
Scopul acestui calcul este de a stabili toleranțele care se vor impune tastei din silicon, pentru a obține tot timpul o preapăsare între această tastă și micro întrerupătorul de pe placa printata.
De ce se face acest lucru? Pentru a evita jocul între cele două piese, anulând astfel zgomotul și oferind stabilitate tastei.
Fig.44-Calculul de toleranțe al tastei de pornit/oprit
M0-reprezintă coliziunea care trebuie realizată între cele două piese, preapăsarea.
M1-reprezintă dimensiunea de la baza de cotare a microîntrerupătorului până la suprafața exterioară a acestuia (suprafața care intră în contact cu tasta).
M2-reprezintă distanță de la suprafața de contact a tastei cu micro întrerupătorul, până la baza de cotare a tastei.
M3-reprezintă închiderea lanțului de toleranțe, și anume distanța de la baza de cotare a micro întrerupătorului până la baza de cotare a tastei.
M1= 3.95±0.05
M2= 3.3±0.05
M3= 7.05±0.1
M0=?
M0= M3-(M1+M2)
M0= (7.05±0.1) – (3.95±0.05+3.3±0.05) = 7.05±0.1 – 7.25±0.1
Deci, din calculul de toleranțe, rezultă că totdeauna vom avea o preapasare cuprinsă între 0 și 0.4 mm. Acest interval poate fi optimizat prin modificarea dimensiunilor și toleranțelor fiecărei componentă.
Consider că este acceptabil ca preapăsarea să fie cuprinsă între 0 și 0.4 mm.
3.11 Analiza de element finit
Analiza de element finit are la baza conceptul de construcție a unor piese complexe, formate din multe elemente simple. Adică o piesă, oricât de complexă pare ea, este formată din multe elemente simple.
Cel mai reprezentativ exemplu este o piesă foarte complexă construită din piese de lego. Acesta este principiul elementului finit și analizei acestuia.
Fenomenul de simplificare a rețelelor complexe în componente simple se numește DISCRETIZARE.
Prin discretizare, o piesă oricât de complexă, este împărțită în elemente simple, numite elemente finite. Interconectarea acestora se face prin intermediul nodurilor.
Această metodă permite analiza pieselor foarte complexe cu o precizie aproape de realitate. În general, dacă o analiză de element finit prezice că o structua va rezista unei solicitări, aceasta va și rezista, și viceversa.
Analiza celor două carcase din plastic ale produsului tratat în lucrarea de față se face cu ajutorul Analizei Structurale disponibilă în Catia V5.
Am ales această variantă deoarece Catia V5 este programul cu care au fost modelate componentele, și astfel am evitat importarea pieselor în alte programe.
Catia folosește pentru discretizare element finit de tipul Tetrahedonului. Tetrahedonul este o figură geometrică spațială, având patru fete sub formă de triunghi, șase muchii și patru noduri.
Această formă geometrică este folosită pentru discretizare deoarece algoritmii de calcul îmbunătățesc viteza cu care este făcută analiza, acuratețea și calitatea calculelor este foarte bună, parametrii pot fi controlați de utilizator și este fezabila implementarea lor.
Au fost analizate ambele carcase, iar rezultatele au fost bune. Am ajuns la concluzia că nu sunt probleme critice în proiect în momentul de față.
În figura următoare este prezentat un rezultat al analizei de element finit al carcasei superioare a produsului, simulând o forță de 5N aferentă apăsării tastelor:
Fig.45-Analiza de element finit
Această figură este rezultatul unei forțe uniform distribuite pe carcasa superioară, reprezentând forta de apăsare a tastelor, respectiv 5N. După cum se vede, în jurul tastelor centrale avem cea mai mare deformație.
Având în vedere faptul că toată forța este preluată de tastele de silicon, forță reală care va acționa asupra carcasei din plastic este mult mai mică în cazul unei utilizări normale a produsului.
Domurile de fixare sunt elementele cele mai solicitate elemente ale carcasei inferioare:
Fig.46-solicitarea mecanică a domurilor de fixare
În anexele lucrării se găsesc rezultatele analizei celor două carcase, fiind analizate pe lângă carcase și nervurile de suport și domurile de fixare.
3.12 Analiza zonelor iluminate
O cerință a clientului a fost ca tastele centrale să nu fie iluminate, și doar tasta de pornit/oprit să fie iluminată.
Pentru realizarea acestei funcții, este folosit un sub ansamblu achiziționat de la o companie externă, care va avea parametrii ceruți.
Micro întrerupătorul are o diodă emițătoare de lumină încorporată. Culoarea și celelalte caracteristici ale luminii emise vor fi specificate înainte de comandă.
Tasta va fi injectată din silicon transparent, va fi vopsită doar în exterior, iar apoi simbolul va fi inscripționat pe tastă prin arderea vopselei cu un laser.
Ceea ce îl interesează pe client cel mai mult, este intensitatea luminoasă și culoarea.
În ceea ce privește intensitatea luminoasă a simbolului, ea se măsoară în candela pe m2 (cd/m2). Sursa de lumină pentru acest simbol va trebui să emită o intensitate mai mare decât cea cerută, din cauza pierderilor de lumină.
În acest sens, va fi efectuată o analiză a conductorului de lumină, și se va determina pierderea de lumină, și astfel vom ști ce sursa de lumină vom comanda pentru a obține intensitatea cerută.
În ceea ce privește culoarea, pentru determinarea exactă a acesteia se va folosi o cameră ultra modernă care va capta lumina emisă de emițător și o va transpune pe diagrama de culoare.
Culoarea exactă este determinată analizând două componente ale luminii: axa X și axa Y, intersecția acestora determinând exact culoarea.
Fig.47-Diagrama de culoare a luminii
3.13 Analiza curgerii materialului plastic în matriță
Simularea curgerii materialului plastic în matriță are o serie de avantaje.
În primul rând, oferă proiectantului o previzualizare a procesului de injecție înainte de realizarea matrițelor. Această analiză scoate la iveală eventualele probleme care pot apărea pe parcursul injecției.
În urma acestei analize, se poate alege locul optim unde să fie poziționat punctul de injecție. Astfel se evită toate defectele maselor plastice care pot apărea într-o injecție defectuoasă precum:
formarea golurilor
umplerea incompletă a matriței
defecte de suprafața datorate comprimării aerului blocat în matrița
formarea pe suprafețele exterioare de linii de curgere sub forma unor valuri
Programul care face acest lucru se numește “Autodesk Moldflow” și oferă informații legate de:
curgerea materialului în matrița în funcție de piesa de realizat
incalzirea și răcirea matriței
orientarea fibrelor pieselor obținute
soluții pentru optimizarea formei pieselor din simulare
contracția materialelor
3.14 Vopsirea tastelor
Pe lângă forma suprafețelor exterioare, clientul mai specifică și culoarea sau culorile carcaselor.
Avantajul carcaselor din plastic, este că se pot adăuga granule colorante înainte de injectare, astfel obținându-se culoarea dorită.
Se folosește pe scară largă acest procedeu datorită uniformității culorii obținute atât la suprafață cât și în toată masa plasticului.
În ceea ce privește tastele din silicon, acestea se obțin inițial transparente.
Acest fapt se datorează:
necesarului conducerii luminii de la sursa spre simbol. Pentru acest lucru este obligatoriu ca materialul din care se obțin tastele să fie transparent și clar.
necesarul obținerii simbolurilor tastelor. Cum precizam și înainte, fiecare tastă are un anumit simbol. Pentru obținerea acestui simbol tasta trebuie mai întâi vopsită, și apoi forma simbolului urmează să fie marcată cu un laser.
Atunci, obligatoriu, după injecție, urmează un procedeu de vopsire și lăcuire a tastelor.
Pentru aceasta este necesară o secție specializată destinată acestui lucru.
După specificarea culorii de către client, procesul tehnologic de vopsire și lăcuire poate începe. Acesta presupune următoarele etape:
3.14.1 Pregătirea pieselor pentru vopsire
Vopsirea se va face pe loturi. Înainte de începerea efectivă a vopsirii, sunt necesare câteva etape pregătitoare:
curațirea suprafețelor care urmează să fie vopsite. Această etapă este importantă pentru obținerea unei vopsiri de calitate ridicată, fără defecte cauzate de praf sau alte impurități care pot rămâne pe piesă și pot cauza defecte.
degresarea suprafețelor care urmează să fie vopsite: La fel, această etapă premergătoare vopsirii este vitală. O suprafață gresată nu poate fi vopsită, vopseaua neaderând la suprafață.
3.14.2 Aplicarea grundului
Aplicarea grundului este o fază necesară și premergătoare vopsirii. Grundul este folosit ca un element intermediar între vopsea și plastic. Pe lângă faptul că protejează plasticul, grundul îi oferă vopselei o suprafață uniformă pentru aplicare și vopseaua aderă mult mai bine pe grund decât direct pe plastic.
Aplicarea vopselei
Aplicarea vopselei se face într-o unitate specializată pentru acest lucru. Datoritată magnitudinii proiectului și numărului de piese care trebuie vopsite, operația propriu zisă va fi realizată de un robot.
Astfel, erorile umane sunt eliminate, timpul de vopsire va fi scurtat, pierderile de materii prime vor fi reduse la minim și calitatea lucrării va fi una net superioară în raport cu vopsirea manuală.
Aplicarea lacului transparent
După vopsire, este necesară aplicarea unui lac protector. Acesta are rolul de a proteja vopseaua în timp și de a-i oferi un luciu caracteristic.
Aplicarea lacului este identică cu vopsirea, fiind diferită doar materia primă utilizată.
Uscarea vopselei și lacului
Pentru o calitate superioară a straturilor aplicate pe plastic, este necesară uscarea acestora. Uscarea se face la o temperatură ridicată pentru a scădea timpul necesar vopselei și lacului pentru a se solidifica.
Capitolul 4- Concluzii
Produsul proiectat în lucrarea de față este unul nou, modern și realizabil. El înglobează toate componentele mecatronicii: mecanică, electronică și programare.
Produsul este destinat controlului de la distanță a unui dispozitiv simplu, având patru mișcări controlate prin taste diferite, acționate unic, și oprirea dispozitivului într-o anumită poziție prin acționarea tastei centrale.
În ceea ce privește partea mecanică, produsul a fost proiectat astfel încât el să poată fi obținut la prețul specificat de client. Au fost aplicate regulile de proiectare a maselor plastice cu aplicabilitate în obținerea pieselor componente prin injectarea maselor plastice în matrițe.
Pe lângă carcasele din plastic, au mai fost proiectate tastele din silicon care se obțin printr-un procedeu similar injecției.
În ceea ce privește programarea, au fost gândite structurile necesare funcționării produsului în parametrii ceruți. Pe lângă aceste condiții, au fost prevăzute măsuri de siguranță menite să crească utilitatea, fiabilitatea și durabilitatea produsului în timp în conditii de funcționare optimă.
Partea de proiectare electronică s-a ocupat de realizarea teoretică a schemei de funcționare a componentelor necesare realizării funcțiilor impuse și funcționării acestora.
Adițional celor trei mari componente ale mecatronicii, în lucrare au fost abordate domenii precum: calcule de toleranțe, injecția maselor plastice, asamblarea componentelor, analiza de element finit, vopsirea pieselor, analiza zonelor iluminate sau integrarea în produs a componentelor deja existente.
Utilizând tehnologii noi, produsul este unul competitiv pe piață și oferă prin intermediul panoului fotovoltaic și acumulatorului interior, un dispozitiv economic care în afară de utilizarea luminii nu are nevoie de altă sursă de energie pentru funcționare și este complet autonom.
Capitolul 5- Bibliografie
Ioana Armas, Proiectare in mecatronica si robotica. Editura AGIR 2011
Mihaita Ardeleanu, Mecatronica. Principii si aplicatii. Editura AGIR 2007
Petre I. Miu, Introducere in mecatronica. Editura Didactica si pedagocica 1999
Mihail Pricop, Rezistenta materialelor. Editura AGIR 2010
Florin Gheorghe Filip, Informatica industriala. Editura Tehnica 1999
Sofonea G., Pascu A., Rezistenta materialelor, Ed. Universitatii “Lucian Blaga” Sibiu, 2007, ISBN 973-9280-97-8.
Simion, C., M., Tolerante dimensionale si geometrice. Editura Universitatii “Lucian Blaga” din Sibiu, Sibiu, 2001.
Eberth, R, s.a.- Managementul productiei si operatiuniilor, Ed. Teora, Bucuresti, 2002.
Proiectare asistata in Catia V5. Elemente teoretice si aplicatii. Editura BREN, Bucuresti 2007
Electronica analogica. Teorie si aplicatii, Marian Raducu Editura Maxitrom, 2009
http://www.mase-plastice.ro
http://xa.yimg.com/kq/groups/18915674/796833290/name/Amb2.pdf
http://www.scritube.com/tehnica-mecanica/PRELUCREAREA-PIESELOR-DIN-CAUC82614.php
http://imt.uoradea.ro/mecatronica/doc/Sisteme%20flexibile%20de%20fabricatie%20-%20Curs%20-%20Tarca%20Radu.pdf
http://www.batteryspace.com/li-ionrechargeable2032buttoncells2pcslr203236v40mah20dx32mm014wheach.aspx
http://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/l10660_series_kled1055e02.pdf
http://www.epectec.com/keypads/design/index.html
http://www.digitallehrer.de/cms/upload/pdf/mehr_Bauteile/Keypads.pdf
http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/Designing-an-RF-Remote-Control-WP.pdf
http://www.designcabana.com/designs/irr/
http://www.eng.cam.ac.uk/inclusivedesign/index.php?section=casestudies&page=remote
http://lejpt.academicdirect.org/A09/055_062.htm
http://www.ti.com/solution/rf4ce_remote_control
http://www.rspinc.com/silicone-keypad-8.htm
http://imt.uoradea.ro/mecatronica/doc/Tolerante%20si%20Control%20Dimensional%20-%20Curs%20-%20Pater.pdf
https://www.b624.net/proiectarea-sistemelor-software-complexe
Bibliografie
Ioana Armas, Proiectare in mecatronica si robotica. Editura AGIR 2011
Mihaita Ardeleanu, Mecatronica. Principii si aplicatii. Editura AGIR 2007
Petre I. Miu, Introducere in mecatronica. Editura Didactica si pedagocica 1999
Mihail Pricop, Rezistenta materialelor. Editura AGIR 2010
Florin Gheorghe Filip, Informatica industriala. Editura Tehnica 1999
Sofonea G., Pascu A., Rezistenta materialelor, Ed. Universitatii “Lucian Blaga” Sibiu, 2007, ISBN 973-9280-97-8.
Simion, C., M., Tolerante dimensionale si geometrice. Editura Universitatii “Lucian Blaga” din Sibiu, Sibiu, 2001.
Eberth, R, s.a.- Managementul productiei si operatiuniilor, Ed. Teora, Bucuresti, 2002.
Proiectare asistata in Catia V5. Elemente teoretice si aplicatii. Editura BREN, Bucuresti 2007
Electronica analogica. Teorie si aplicatii, Marian Raducu Editura Maxitrom, 2009
http://www.mase-plastice.ro
http://xa.yimg.com/kq/groups/18915674/796833290/name/Amb2.pdf
http://www.scritube.com/tehnica-mecanica/PRELUCREAREA-PIESELOR-DIN-CAUC82614.php
http://imt.uoradea.ro/mecatronica/doc/Sisteme%20flexibile%20de%20fabricatie%20-%20Curs%20-%20Tarca%20Radu.pdf
http://www.batteryspace.com/li-ionrechargeable2032buttoncells2pcslr203236v40mah20dx32mm014wheach.aspx
http://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/l10660_series_kled1055e02.pdf
http://www.epectec.com/keypads/design/index.html
http://www.digitallehrer.de/cms/upload/pdf/mehr_Bauteile/Keypads.pdf
http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/Designing-an-RF-Remote-Control-WP.pdf
http://www.designcabana.com/designs/irr/
http://www.eng.cam.ac.uk/inclusivedesign/index.php?section=casestudies&page=remote
http://lejpt.academicdirect.org/A09/055_062.htm
http://www.ti.com/solution/rf4ce_remote_control
http://www.rspinc.com/silicone-keypad-8.htm
http://imt.uoradea.ro/mecatronica/doc/Tolerante%20si%20Control%20Dimensional%20-%20Curs%20-%20Pater.pdf
https://www.b624.net/proiectarea-sistemelor-software-complexe
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Proiectarea Unui Dispozitiv Mecatronic de Comanda de la Distanta (ID: 163232)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.