Übungsaufgaben Maschinenkunde

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1 Übungsaufgaben Maschinenkunde Allgemeines: Die Aufgaben sind bis zum zu beantworten und im Sekretariat Kutzbachbau, Zi. 103 bei Frau Häusler abzugeben. Die Antworten werden kontrolliert und bei ausreichender fachlicher und formaler Qualität mit einem Testat bewertet. Das Testat ist Voraussetzung für die Zulassung zur schriftlichen Prüfung am Semesterende. Aufgaben: 1. Werkzeugaufnahmen in Fräsmaschinen Das Bild 1 zeigt die schematischen Darstellungen (1) und (2) von Hauptspindelköpfen zweier verschiedener Fräsmaschinen mit aufgenommenen Werkzeugschäften. Bild 1: Hauptspindelköpfe Um welche Spindelköpfe handelt es sich? (Bezeichnung der Art der Werkzeugaufnahme) Charakterisieren sie die unterschiedliche Drehzahleignung der beiden Werkzeugaufnahme-Systeme! Begründen Sie Ihre Angaben mit konstruktiven Details anhand der Bilder! Uebungsaufgaben_Maschinenkunde_2012_Aufgaben.doc, 19. Oktober :12:00, Muehl 1

2 2. Hauptspindeln Das Bild 2 zeigt Schnittzeichnungen zweier Hauptspindeln. Bild 2: Schnittzeichnungen zweier Hauptspindeln Handelt es sich um Dreh-, Fräs- oder Schleifspindeln? Begründen Sie Ihre Antwort! Welche der beiden Spindeln ist für höhere, welche für niedrigere Drehzahlen ausgelegt? Begründen Sie Ihre Antwort anhand konstruktiver und lagerungstechnischer Merkmale! c) Was verstehen Sie unter einem vorgespannten Wälzlager? Wieso werden Wälzlager in Hauptspindeln so eingebaut, dass Sie vorgespannt sind? Beschreiben Sie, wie bei der Montage doppelreihige Zylinderrollenlager, zweiseitig wirkende Axial-Schrägkugellager sowie Spindellager-Sätze ihre Vorspannung erhalten! Uebungsaufgaben_Maschinenkunde_2012_Aufgaben.doc, 19. Oktober :12:00, Muehl 2

3 3. Vorschubachsen Skizzieren Sie aus den Teilsystemen Lageregler, Geschwindigkeitsregler, Stromregler und steller, Synchron-Servomotor, Elastomerkupplung, Kugelgewindetrieb, linear geführter Maschinentisch, direktes Wegmess-System, digitaler Differenzierer das Blockschaltbild einer lagegeregelten Vorschubachse. An welcher Stelle im Blockschaltbild ist der k v -Faktor wirksam, und welche physikalische Einheit hat er? c) Für diese Vorschubachse ergibt sich bei einer programmierten Rampenfahrt (Sollweg-Zeit-Vorgabe) der in Bild 3 dargestellte Istweg-Zeit-Verlauf der Achsbewegung. Berechnen Sie näherungsweise den in der Steuerung eingestellten k V -Faktor! Weg [mm] Sollweg Istweg Zeit [s] Bild 3: Sollweg-Zeit-Funktion und Istweg-Zeit-Funktion Uebungsaufgaben_Maschinenkunde_2012_Aufgaben.doc, 19. Oktober :12:00, Muehl 3

4 4. Serielle und parallele Kinematiken Wodurch unterscheiden sich Maschinen mit einer parallelen Kinematik von konventionellen Maschinen mit einer seriellen Kinematik? Ein Hexapod besitzt je sechs auf Kugelgewindetrieben basierende Stabachsen, Bild 4. Die Konstruktion der Stabachse (ohne die Gelenke zwischen Streben und Basis sowie zwischen Streben und bewegter Plattform) sowie ein getriebetechnisches Ersatzschaltbild sind ebenso mit angegeben, Bild 4. Leiten Sie ab, welche Gelenk-Freiheitsgrade zwischen Streben und Basis sowie zwischen Streben und bewegter Plattform erforderlich sind. Begründen Sie Ihre Antwort! Nennen sie die Bezeichnung der erforderlichen Gelenke! Hexapod (Prinzip) Plattform Servomotor Stabachse Axiale Lagerung: Fhg f=1 Ersatzschaltbild Kugelgewindetrieb: Fhg f=1 Basis (fest) Hilfestellung zur Analyse des Gesamt-Mechanismus, basierend auf dem Ersatz-Schaltbild: N = 20 (Anzahl der Getriebeglieder) G = 24 (Anzahl der Gelenke) Bild 4: Kinematik Hexapod (vereinfachte Darstellung) Uebungsaufgaben_Maschinenkunde_2012_Aufgaben.doc, 19. Oktober :12:00, Muehl 4

5 5. Fräsmaschinen Die Freiformfläche eines Frästeils kann in unterschiedlicher Weise durch mehrachsiges Fräsen hergestellt werden. Das Bild 5 zeigt zwei Varianten. (1) (2) Bild 5: Frästeil: Freiformflächenbearbeitung Eine Fräsmaschine mit wie vielen Achsen ist für die Variante (1), und eine Fräsmaschine mit wie vielen Achsen ist für die Variante (2) erforderlich? Begründen sie Ihre Antworten! Recherchieren Sie im Internet nach zwei unterschiedlichen Fräsmaschinen, die für das Fräsen nach Variante (1) für das Fräsen nach Variante (2) tauglich sind. Legen Sie Ausdrucke der jeweiligen Maschinenbilder incl. Herstellername und Maschinenbezeichnung bei, in denen die Achsanordnungen der betreffenden Maschinen erkennbar sind. Uebungsaufgaben_Maschinenkunde_2012_Aufgaben.doc, 19. Oktober :12:00, Muehl 5

6 6. Hauptantrieb einer Drehmaschine Auf einer Großdrehmaschine soll die Hauptspindel in einem stufenlos regelbaren Drehzahlbereich { U/min} betrieben werden. Als Hauptantriebsmotor steht ein stufenlos regelbarer Asynchron-Servomotor mit der im Bild 6 gezeigten Drehzahl-Leistungs-Kennlinie zur Verfügung. Offensichtlich reicht der Drehzahlbereich des Motors { U/min} nicht aus, um den Drehzahlbereich an der Hauptspindel abzudecken. 60 Motor-Leistung [kw] {750 U/min, 55 kw} {3000 U/min, 55 kw} 10 0 {30 U/min, 2,2 kw} Motor-Drehzahl [U/min] Bild 6: Kennlinie Hauptantriebsmotor Entwerfen Sie einen Drehzahlplan (sog. Drehzahl-Leiter ) und einen Getriebeplan eines zwischen Motor und Spindel angeordneten schaltbaren geometrisch gestuften Getriebes, mit dem der Stellbereich des Motors auf die Erfordernisse an der Hauptspindel anpassbar wird. Bedenken Sie dabei, dass die Übersetzungen einer Getriebestufe (d.h. einer Zahnradpaarung) aus Bauraum- und Lebensdauer-Gründen im Bereich von {0,5<=i zul <=4} liegen sollten. Wählen Sie im Drehzahlplan eine logarithmische Teilung der Drehzahl-Achse. Zeichnen Sie die Leistungs-Drehzahl-Kennlinien und die Drehmoment-Drehzahl- Kennlinien, die sich an der Hauptspindel mit Ihrem Getriebeentwurf für jede Schaltstellung ergeben, in ein Leistungs-Drehzahl- und in ein Drehmoment-Drehzahl- Diagramm. Sollten sich Überdeckungen ergeben, so diskutieren Sie die technologischen Vorteile, die sich damit ergeben. Uebungsaufgaben_Maschinenkunde_2012_Aufgaben.doc, 19. Oktober :12:00, Muehl 6