LTU-YTH-EX--03/09--SE - Luleå tekniska universitet

epubl.luth.se

LTU-YTH-EX--03/09--SE - Luleå tekniska universitet

Förord

Denna rapport är resultatet av ett examensarbete som utförs av fem elever på utbildningslinjen

YTH Maskinteknik vid Luleå tekniska Universitet. Examensarbetet

omfattar åtta högskolepoäng och är en obligatorisk del av utbildningen. Inriktningen

ska ligga inom områdena konstruktions och/ eller produktionsproblematik.

Arbetet drivs som ett projekt, med följande skriftlig och muntlig redovisning. Ett

godkänt resultat är en förutsättning för att gruppmedlemmarna ska erhålla examen.

Mot denna bakgrund vill vi poängtera att arbetet utförs i utbildningssyfte, alltså

är delar som projektarbetets utförande och rapportskrivning lika viktiga som det

uppnådda projektresultatet.

Vi som har ingått i projektgruppen:

Stefan Backlund, 32 år.

Har arbetat 8 år som svetsare vid Rottne SMV i Stensele.

Mattias Byström, 27 år.

Har arbetat 6 år som NC-operatör vid Alvis Hägglunds i Örnsköldsvik.

Dennis Eklund, 30 år.

Har arbetat 4 år som svetsare vid Cranab i Vindeln.

Ingela Forsberg, 30 år.

Har arbetat 1 år som traversförare och ståltappare vid SSAB Tunnplåt i Luleå.

Marko Huhta, 32 år.

Har arbetat 5 år med leveranskontroll/avsyning vid Inexa Profil i Luleå.

Vi vill rikta ett Stort tack till alla som gjort vårt arbete möjligt.

Särskilt tacksamma är vi till:

Cranab AB i Vindeln, som lät oss göra ett examensarbete av denna problemställning.

Marina Henningsson, svetsansvarig på Cranab.

Operatörer och annan personal som vi har pratat med.

Bertil Gustafsson, svetsansvarig på Ferruform i Luleå.

Torsten Nilsson, handledare och examinator.

Kjell Lindfors, handledare och examinator.


Sammanfattning

Projektet/examensarbetet har förutom i utbildningssyfte gått ut på att utveckla en

rundsvetsmanipulator för svetsning av kranpelare på Cranab AB i Vindeln. Cranab

AB är tillverkare av skogsmaskinskomponenter, i huvudsak kranar.

I dagsläget svetsas kranpelarna i en typ av manipulator som vi valde att använda

vissa detaljer från, bland annat chuck med lagring. Anledningen till att den befintliga

manipulatorn inte anses hålla måttet, är dels att den är för liten för dagens

kranpelardimensioner, dels att svetspistolen inte går att justera på ett sådant sätt

som vore önskvärt.

Den konstruktion som vi har utvecklat ser ut som följer: En ram bestående av

två längsgående profilrör förbinds i ena änden med en drivenhet med tillhörande

chuck. Då kranpelarna har olika längd (cirka 600 – 2300 mm) har motsatt chucken

placerat en i längdled förskjutbar dubbdocka. Denna låses med friktionsbelägg.

Anledningen till denna låsanordning är att dubbdockan måste kunna kompensera

för den längdutvidgning som pelaren får vid svetsningen. Vi vill även ur säkerhetssynpunkt

ha ett justerbart stöd som fångar upp pelaren så att den inte kan skada

operatören. Detta stöd är ännu inte konstruerat men i kapitel 4.1 och 6 beskrivs

det mera ingående. Det finns idag en form av dylikt stöd på den befintliga svetsmanipulatorn,

men de önskvärda justeringsmöjligheterna saknas. Vår tanke är att

ett bättre stöd fästes i dubbdockan, vilket dubbdockans dimensionering medger.

En annan detalj som vi har riktat in oss på är svetspistolens vinkeljustering.

Svetsvinklarna har stor inverkan på resultatet, större än vid svetsning i horisontellt

läge. Svetspistolen måste vara justerbar även radiellt, utan att svetsvinklarna förändras.

Detta är nödvändigt eftersom kranpelare med olika diametrar kommer att

svetsas. Vår konstruktion har enkelt inställbar såväl svetsvinkel som periferivinkel

mot röret, vilket gör att svetsresultatet kan kontrolleras på ett helt annat sätt än

idag.

Rent produktionsmässigt har vi konstaterat att om själva manipulatorn ska göras

effektivare krävs en styrd robot, vilket inte kan motiveras ekonomiskt. Däremot

finns det troligtvis goda möjligheter att effektivisera hanteringen runt omkring

själva svetsningen. Detta kan ske till såväl operatörens som företagets fördel.

Till sist kan vi konstatera att vi nått målen att kunna svetsa dagens storlekar av

kranpelare, samt att säkerställa svetsprocessen. Effektiviseringsmöjligheterna ser

vi som sagt i översyn av momenten mellan själva svetsningen, men även i översyn

av svetsparametrarna.


Innehållsförteckning

Förord.......................................................................................................................1

Sammanfattning.......................................................................................................2

Innehållsförteckning ................................................................................................3

1. Bakgrund..............................................................................................................4

1.1. Syfte och mål med projektarbetet .....................................................................4

1.2. Problemställning ...............................................................................................4

1.3. Projektets omfattning och begränsning.............................................................5

1.4. Metod................................................................................................................5

2. Svetsteori. ............................................................................................................5

2.1. Rundsvetsning med MAG ................................................................................6

2.1.1. Specifikt för aktuell svetsoperation ...............................................................6

2.2. Förvärmning......................................................................................................7

3. Konstruktion ........................................................................................................7

3.1. Ram...................................................................................................................7

3.2. Drivenhet ..........................................................................................................8

3.2.1. Val av motor och växel..................................................................................9

3.3. Motdocka ..........................................................................................................9

3.3.1. Motdockans löpvagn....................................................................................11

3.3.2. Kraftpåverkan på löpvagnens rullar.............................................................11

3.3.3. Dimensionering av axlar, fästbultar och lager .............................................15

3.3.4. Löpvagnens bromsanordning.......................................................................16

3.4. Svetspistolens justeringsanordning.................................................................17

3.4.1. Svetspistol....................................................................................................17

4. Ergonomi och säkerhet ......................................................................................18

4.1. Säkerhetsanalys och CE-märkning .................................................................18

5. Ekonomi.............................................................................................................19

6. Diskussion och slutsatser...................................................................................20

7. Referenser. .........................................................................................................22

8. Bilagor. ..............................................................................................................23


1. Bakgrund

Manipulator för rundsvets av kranpelare

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 4 av 23

Som en del av YTH Maskin-utbildningen ska ett examensarbete om 8 poäng utföras.

Arbetet, som enligt definition ska omfatta konstruktions och/eller produktionsproblematik

ska utföras och presenteras som ett projektarbete med skriftlig

rapport.

Efter att ha insamlat olika möjliga förslag till examensarbeten, beslutade vi oss

för att arbeta med ett projekt hos Cranab AB i Vindeln. Projektet rör utveckling av

en svetsmanipulator för rundsvets av kranpelare.

1.1. Syfte och mål med projektarbetet

Syftet med projektet är utbildningsmässigt, eftersom det rör sig om ett examensarbete

utfört av högskoleelever.

Projektets mål däremot, är att förbättra och till stor del nykonstruera en manipulator

som används för rundsvetsning av kranpelare på Cranab AB. Vi har siktat

mot att uppnå en högre och jämnare svetskvalitet än den som idag är möjlig att

uppnå, samtidigt som de storleksmässiga krav som nya kranpelarmodeller ställer

på manipulatorn ska uppnås.

1.2. Problemställning

Cranab AB tillverkar skogsmaskinskomponeneter, i huvudsak kranar. Kranarnas

infästning mot vridhuset är utformat som en kranpelare, enligt klassiskt manér.

Denna kranpelare (se fig. 1), som består av ett grovt ämnesrör, svetsas (MAG)

idag mot den stålgjutna toppdelen i en gammal rundsvetsmanipulator. Problemet

är att denna är både för liten och saknar de inställningsmöjligheter beträffande

bl.a. svetspistolvinkel, som vore önskvärt. Dessutom är den så gammal, att den får

anses som uttjänt.

Fig.1. Principskiss av kranpelare.


Manipulator för rundsvets av kranpelare

1.3. Projektets omfattning och begränsning

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 5 av 23

Vi valde att ägna oss åt att konstruera ett nytt stativ samt en justeringsanordning

för svetspistolen. Vi använder den befintliga manipulatorns chuck med axel, lagerhus

och en av nedväxlingarna. Vidare använder vi dubb och dubbjusteringsanordning

från den existerande manipulatorn.

1.4. Metod

Vi har arbetat i huvudsak med ”hjärnstormnings”- och avstämningsmöten, varemellan

gruppmedlemmarna löst olika delar av problematiken.

Vi gjorde ett studiebesök på Cranab den 29 oktober 2003. Vid detta besök kunde

vi lösa en del praktiska problem, samtidigt som vi kunde besluta vilka delar ur den

befintliga manipulatorn som gick att använda.

2. Svetsteori.

MAG-svetsning är en idag mycket vanligt förekommande svetsmetod för allmänna

konstruktionsstål inom tillverkningsindustrin. Vid MAG-svetsning matas tillsatsmaterial,

i form av en solid trådelektrod eller pulverfylld rörelektrod, fram genom

en svetspistol och smälter kontinuerligt i en elektrisk ljusbåge. Energin produceras

av en elektrisk svetsströmkälla. Ljusbågen och svetssmältan skyddas av

en skyddsgas som strömmar genom gasmunstycket. Genom att använda en okonventionell

inställning av svetsparametrarna samt en argonrik skyddsgas kan man

gå utanför de traditionella arbetsområdena för MAG-svetsning och därigenom avsevärt

höja produktiviteten. Med hjälp av tekniken kan man koncentrera sig antingen

på att öka svetshastigheten eller alternativt insvetstalet vid svetsning av

tjocka svetsar i grovt material. Detta är grunden till ”RAPID PROCESSING TM ”,

ett koncept för högproduktiv MAG-svetsning som utvecklats av AGA (1).

Rapid Processing erbjuder följande fördelar:

Bättre produktivitet till följd av högre svetshastighet och/eller högre insvetstal,

man sparar tid eftersom det bildas mindre sprut och slagg, bättre sidointrängning

och slätare svetsråge.

Inga eller låga kostnader för nyinvestering i relation till den ökade produktiviteten.

Rapid Processing är en teknik som lämpar sig utmärkt för svetsning av olegerat

och låglegerat stål med en godstjocklek större än 1 mm. Den största kostnadsnyttan

får man vid mekaniserad svetsning, men produktiviteten ökar märkbart även

vid manuell svetsning.

Vi fick upp ögonen för denna metod vid kontakt med Bertil Gustafsson (2),

svetsansvarig på Ferruform i Luleå. Efter att ha studerat metoden, kan vi rekommendera

att den provas vid den aktuella svetsen på kranpelaren.


Manipulator för rundsvets av kranpelare

2.1. Rundsvetsning med MAG

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 6 av 23

Att svetsa runt ett horisontellt orienterat cylindriskt objekt kan ske på två sätt. Endera

står objektet stilla och svetsningen sker i olika lägen runt om periferin. Detta

ställer stora krav på svetsaren för att ett gott svetsresultat ska erhållas och är knappast

något alternativ vid mekaniserad svetsning. En maskin saknar helt enkelt den

mänskliga förmågan att ”känna” ett gott svetsresultat.

Det andra alternativet är att objektet roteras, medan svetspistolen står stilla.

Denna metod är den i huvudsak gällande vid automatiserad svetsning. Dock har

svetspistolens inställningsvinkel stor inverkan på resultatet, större än vid svetsning

i horisontellt läge.

2.1.1. Specifikt för aktuell svetsoperation

Som nämnts är svetspistolens inställningsvinklar av avgörande betydelse. Aktuella

vinklar kan åskådas i fig. 2.

Fig. 2. Svetspistolens läge vid rundsvetsning.

Vinklarnas (a samt b i fig. 2) storlek avgörs av bland annat parametrarna trådtyp,

svetsström, rotationshastighet, skyddsgas och grundmaterialets värmeavledningsförmåga

(tjocklek). Således kan det vara svårt att teoretiskt bestämma dessa

vinklar för en viss svetsoperation. Istället provas lämpliga vinklar fram, med avseende

på svetsens inbränning och utseende (2).


Manipulator för rundsvets av kranpelare

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 7 av 23

Utifrån detta framkommer att justeringsmöjligheten av dessa vinklar är viktig.

Eftersom kranpelare med olika diametrar kommer att svetsas, måste svetspistolen

vara justerbar även radiellt, utan att vinklarna a och b förändras.

2.2. Förvärmning

Genom förhöjd arbetstemperatur uppnås en lägre avkylningshastighet och därmed

en mjukare värmepåverkad zon (HAZ). Samtidigt driver man ut väte ur materialet

och risken för sprickbildning blir då mindre.

Idag förvärms gjutstålstopparna till en temperatur på 100-200°C med gasol.

Uppvärmningstiden är ca 2-2,5 min beroende på vikten.

Förvärmning kan ske i fixturen genom induktion eller med gasol, eller i ugn genom

att lägga in lösa gjutstålstoppar. Induktion och ugn ger hög repeternoggrannhet

att hitta samma gradtal.

Alla dessa metoder är alltså användbara, det viktiga är att förvärmningen sker.

Dock kan vi rekommendera att metoderna vägs mot varandra ur säkerhetsmässig,

ergonomisk och ekonomisk synpunkt.

3. Konstruktion

I projektets inledningsskede beslutade vi hur principen för konstruktionen skulle

se ut. En ram bestående av två längsgående profilrör förbinds i ena änden med en

drivenhet med tillhörande chuck. Den fria rotationsradien ska vara 500 mm förbi

det område där kranpelarnas lyftcylinderöron sitter (se fig. 1, 4 och 5). Den motstående

dockan är i längdled förskjutbar längs profilrören, detta för att längden

mellan kranpelarmodellerna varierar. Likaså varierar pelarnas diameter, varför

även justering av svetspistolen radiellt är nödvändig. Dessutom är en axiell justering

nödvändig, då svetsfogens läge varierar. Svetspistolens vinkel mot arbetsstycket

måste också vara justerbar, på det sätts som beskrivits i stycke 2.1.1.

En principskiss över hela konstruktionen kan åskådas i fig. 3.

3.1. Ram

Ramen till svetsmanipulatorn har konstruerats för att stå på ett befintligt saxbord

med lyftkapacitet 2000 kg. På detta sätt löser vi den ur ergonomisk synpunkt viktiga

höjdjusteringen.

Genom att rotationscirkeln ökats för att matcha framtida behov, blir dock konstruktionen

något högre än den är idag. På grund av detta valde vi en bakomstående

ramkonstruktion istället för en underliggande, se fig. 4 och 5. Vidare valde vi

av två skäl att vinkla konstruktionen. För det första blir konstruktionen något vridstyvare,

men framför allt betydligt böjstyvare med den ökade livhöjden. För det

andra förhindras svetsslagg, damm och smuts att ligga kvar på balkarna i någon

större omfattning.


Manipulator för rundsvets av kranpelare

Fig.3. Skiss över hela konstruktionen

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 8 av 23

Fig. 4. Förkastad konstruktionslösning. Fig.5. Godtagen konstruktionslösning.

3.2. Drivenhet

Den befintliga chucken är användbar. Vi kom fram till att även lagerhuset kunde

användas, däremot är den likströmsmotor som finns i konstruktionen i klenaste laget.

Vi kom därför till beslutet att använda en modern frekvensstyrd bromsad växelströmsmotor

med nedväxling.

Enligt vår idé ska det befintliga lagerhuset montagesvetsas mot det nykonstruerade

stativet. Detta innebär att skarvning av infästningen till lagerhuset måste ske.

Inpassningen sker med manuell gasskärning.


3.2.1. Val av motor och växel

Manipulator för rundsvets av kranpelare

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 9 av 23

Vi beräknade det nödvändiga momentet genom att uppskatta det moment som kan

tänkas behövas för framtida större kranpelare. Vi antog att cylinderöronen kan

komma att väga upp till 70 kg och att tyngdpunkten kan komma att ligga förskjuten

300 mm från centrumlinjen. Detta ger:

Mv = 70 · 10 · 0,3 [Nm] = 210 Nm

På detta måste givetvis läggas en god marginal.

För övrigt ska motorenheten vara förhållandevis lätt, ej allt för skrymmande,

bromsad och ha ett för applikationen rimligt pris. Svetschucken ska ha ett varvtal

steglöst reglerbart mellan ca 0-4 rpm.

Vi tog kontakt med PEKAB i Luleå (3) som har kunnande om såväl växlar som

frekvensstyrning. Efter att ha diskuterat applikation och prisbild, föll valet på en

motor med vinkelväxel från leverantören Nord. Denna drivenhet har följande prestanda:

Motor: 0,75kW

Frekvensstyrning med potentiometer

Varvtal max ut: 15 rpm

Vridmoment ut: 478 Nm

Vikt: 40 kg

Artikelnummer: SK 9016.1-80

Eftersom varvtalet ut på växeln är 15 rpm, måste ytterligare en nedväxling ske.

Detta sker genom att behålla den kuggväxel som idag sitter närmast chucken.

Denna har utväxlingsförhållande 3,5:1.

Detta ger följande prestanda på chucken:

Varvtal max ut: 15/3,5 [rpm] ≈ 4,3 rpm

Vridmoment ut: 478 · 3,5 [Nm] ≈ 1670 Nm

Detta visar på en markant överdimensionering. Då det visade sig att en mindre

drivenhet inte var avsevärt mycket vare sig billigare eller lättare, valde vi detta

kraftiga alternativ. Dessutom påverkas givetvis livslängden positivt.

3.3. Motdocka

Motdockan förses med en roterande dubb av standardmodell, vilken skruvas manuellt

med ratt mot krantornstoppen för att hålla fast densamma. Vi anser att vi

kan använda den befintliga hylsan som har en trapetsskruv TR32x6. Denna klarar

enligt tabell (4) en belastning av 28000 N vid 500 mm frilängd. Då vi inte kommer

att ha mer än knappt hälften av denna frilängd anser vi att vi har den säkerhet som

vi behöver.

Intressantare får då anses vara den kraft och förlängning som värmespänningen

som uppstår vid svetsningen alstrar.


Manipulator för rundsvets av kranpelare

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 10 av 23

Vi antar en genomsnittlig uppvärmning (∆T) av 150 o C på sträckan 800 mm (erfarenhetsbaserat

antagande). Beräkningen sker på den största kranpelare som nu är i

produktion.

Formelsamling Lönnelid/Norberg (5):

ε = α · ∆T

Temperaturkoefficienten α för allmänna konstruktionsstål ≈ 11,5 · 10 -6 [1/grad C]

→ ε = 11,5 · 10 -6 · 150

Hook´s lag ger spänningen:

σ = E · ε

Elasticitetsmodulen E för stål = 210 000 MPa

→ σ = 210 000 · 11,5 10 -6 · 150 [MPa] ≈ 370 MPa

Spänningen multiplicerat med tvärsnittsarean ger kraften. Arean för ämnesröret är

lätt att räkna ut, däremot får den del av toppdelens area som överstiger ämnesrörets

area uppskattas, då toppdelens form ändras inom temperaturhöjningens verkningsområde.

Arör = π · (D 2 - d 2 ) / 4

D = 235 mm

d = 192 mm

→ Arör = π · (235 2 - 192 2 ) / 4 [mm 2 ] ≈ 14420 mm 2

Detta måste räknas upp pga. toppdelen. Vi uppskattar den totala arean till 18000

mm 2

F = σ · A

F = 370 · 18000 [N] ≈ 7 · 10 6 [N]

För att göra om detta till ett mer greppbart tal: 7 · 10 6 [N] motsvarar 700 ton.


Manipulator för rundsvets av kranpelare

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 11 av 23

Belastningen som värmestegringen orsakar blir alltså mycket stor, ca 700 ton.

Förutsättningen för att denna stora belastning ska uppstå, är dock att kranpelaren

är absolut stumt inspänd. I praktiken är den givetvis inte det. Ram, motdocka,

dubb och chuck ger efter för en kraft av denna storlek. Därför är det intressant att

se inom vilket längdutvidgningsområde som kraften verkar:

Formelsamling Lönnelid/Norberg (5):

Förlängningen:

δ = L · α · ∆T

δ = 800 · 11,5 · 10 -6 · 150 [mm] ≈ 1,5 mm

Av dessa beräkningar kan vi dra slutsatsen att motdockans löpvagn måste konstrueras

så, att den tillåts att ge efter för längdutvidgningen som sker till följd av pelarens

uppvärmning. Om vi skulle göra låsningen stum, med tex. sprintar, skulle det

troligtvis uppstå problem med att lossa pelaren efter svetsning.

3.3.1. Motdockans löpvagn

För att motdockans läge ska vara lätt att justera, valde vi att låta den löpa på rullar

enligt fig. 6. Rullarna tillverkas av en svarvad hylsa i vilken två dubbeltätade standardkullager

monteras. Axeln till dessa rullar är genomgående, och fästes genom

att de utstickande ändarna planfräses och skruvas fast underifrån i separata ok,

vilka i sin tur är skruvade mot löpvagnen.

3.3.2. Kraftpåverkan på löpvagnens rullar

Löpvagnens bromsanordning är så konstruerad, att rullarna avlastas när vagnen låses.

Sålunda belastas inte rullarna av någon spännkraft från bromsanordningen.

Detta leder till att belastningen på rullarna blir enligt följande (fig. 6 och 7):

• Motdockans egentyngd.

• Tyngden från pelaren (eftersom ett stöd för pelaren ska finnas på motdockan,

se avsnitt 4.1 och 6).


Manipulator för rundsvets av kranpelare

Fig. 6. Motdocka med måttuppgifter.

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 12 av 23


Manipulator för rundsvets av kranpelare

Fig. 7. Motdockans löpvagn frilagd med kraft och motkrafter.

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 13 av 23

Av figurerna 6 och 7 framgår att rullarna endast kan ta upp radiella krafter. I fig. 7

är de radiella reaktionskrafterna benämnda R1, R2 och R3, medan den belastande

kraften är benämnd F. De icke namngivna kraftpilarna utgör de radiella reaktionskrafternas

komposanter i horisontal- och vertikalled. Nedanstående beräkning bestämmer

dimension på fästskruvar samt axel. Då kullager blir aktuella, vill vi även

säkerställa att gränsen för lagrens maximala statiska belastning ej överskrids.

Kraften F bestäms till storlek och läge:

Egenvikt löpvagn inklusive svetsutrustning: 200 kg.

Största kranpelarens vikt: 250 kg, men för att matcha framtida pelarstorlekar säger

vi 350 kg.

Kranpelarens tyngdpunkt: I stort sett på mitten.

Motdockans tyngdpunkt i riktning längs ramen: Då kranpelaren belastar den olåsta

dockan, blir tyngdpunkten så kraftigt förskjuten i dockans ländriktning att i stort


Manipulator för rundsvets av kranpelare

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 14 av 23

sett all last hamnar på de främre rullarna. Av denna anledning sker nedanstående

beräkning endast med hänsyn till de främre rullarna. På detta sätt kan vi utesluta

underdimensionering.

Tyngdpunktsläget i riktning tvärs ramen för motdocka + kranpelare är uppskattat

enl. fig. 5 och 6.

Kraften blir då:

F = 350/2 · 10 + 200 · 10 [N] = 3750 N, belägen enl. fig. 6 och 7.

Utifrån detta kan vi ställa upp följande jämviktsekvationer:

Ekv. 1, moment punkt A:

-3750 · 0,55 + R3 · 0,055 + R2 · 0,57 = 0

Ekv. 2, moment punkt B:

-3750 · 0,196 - R3 · 0,025 + R1 · 0,57 = 0

Ekv. 3, vertikal kraft:

-3750 - R1 · sin 30 o + R2 · sin 30 o + R3 · sin 60 o = 0

Ekv. 4, horisontell kraft:

R1 · cos 30 o + R3 · cos 60 o - R2 · cos 30 o = 0

Dessa fyra ekvationer bildar ett ekvationssystem med tre obekanta.

Ekv. 4 ger:

R1 = (R2 · cos 30 o - R3 · cos 60 o ) / cos 30 o

Ekv. 1 ger:

R2 = (3750 · 0,55 - R3 · 0,055) / 0,57

Dessa båda sammansätts till:

R1 = (3750 · 0,55 · cos 30 o - R3 · 0,055 · cos 30 o - R3 · 0,57 · cos 60 o ) / (0,57 · cos

30 o )

R1 insätts i ekv. 2:

-3750 · 0,196 - R3 · 0,025 + 0,57 · (3750 · 0,55 · cos 30 o - R3 · 0,055 · cos 30 o - R3 ·

· 0,57 · cos 60 o ) / (0,57 · cos 30 o ) = 0

Forts. nästa sida!


Manipulator för rundsvets av kranpelare

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 15 av 23

Förenklat blir då R3:

-R3 = (3750 · 0,196 · cos 30 o -3750 · 0,55 · cos 30 o ) / (0,025 · cos 30 o + 0,055 ·

· cos 30 o + 0,57 · cos 60 o )

R3 ≈ 3245 N

Nu kan R2 och R1 räknas ut MHA ekvationerna 1 och 2:

Ekv. 1. ger:

R2 ≈ 3305 N

Ekv. 2. ger:

R1 ≈ 1432 N

3.3.3. Dimensionering av axlar, fästbultar och lager

Den största och därmed dimensionsbestämmande radiella lasten är alltså R2 ≈

3305 N (beteckning enl. fig. 7.) Rullarna sitter lagrade på genomgående axlar, vilka

är skruvade underifrån i separata ok.

En säkerhetsfaktor n = 3 ger Ftill = 3305 · 3 [N] ≈ 10000 N

Nödvändig axelarea beräknas enl. formelsamling Lönnelid/Norberg (5):

τtill = σtill · 0,6

Material axel: C45E, vilket ger: ReL (σtill) = 300 MPa

τtill = 300 · 0,6 [MPa] ≈ 180 MPa

A = Ftill / τtill = 10000 / 180 [mm 2 ] ≈ 55 mm 2

Två skjuvningytor ger Atapp = 55 / 2 [mm 2 ] = 27 mm 2

På samma sätt beräknas nödvändig skruvarea. Varje rulle sitter i ett ok som hålls

av tre skruvar:

Hållfasthetsklass 8.8 ger: σ0,2 (σtill) = 640 MPa

Enligt Bulten AB:s lilla vägvisare ”Gör rätt” (9), är skruvarnas förspänning vid

normalt åtdragningsmoment ca 70% av sträckgränsen. Detta leder till:

σr = 640 · 0,3 [MPa] ≈ 192 MPa

Vi kollar vilken area som krävs på skruvarna ifall skjuvning skulle inträffa:

τtill = 192 · 0,6 [MPa] ≈ 115 MPa

Forts. nästa sida!


Manipulator för rundsvets av kranpelare

A = Ftill / τtill = 10000 / 380 [mm 2 ] ≈ 87 mm 2

Tre skjuvningytor ger Askruv = 87 / 3 [mm 2 ] = 29 mm 2

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 16 av 23

Av dessa uträkningar kan vi besluta dimension på skruv och axel. Vi valde M8

skruv, som har en innerdiameter på 6,6 mm (34 mm 2 ). Axeldiameter valdes till 20

mm, vars area är 314 mm 2 . Denna bearbetas utanför lagerlägena till en rektangulär

profil på 10x15 mm, vilket ger en area av 150 mm 2 . Då axeln skruvas underifrån

och skjuvningsytan hamnar utanför axelns skruvhål, behöver vi ej ta hänsyn till

skruvhålen. Överdimensioneringen är sålunda ganska kraftig, men en förklaring

till detta ges nedan:

Lagren valdes 6004-2RS1, vilka är dubbeltätade standardkullager. På samma

gång ser vi i SKF Huvudkatalog (6) att förhållandet mellan lagrets statiska bärighetstal,

C0 = 5000 N och den statiska belastningen enl. föregående beräkning (två

lager per rulle ger P0=10000/2 [N]) blir:

C0 / P0 = 5000 / 5000 = 1

Detta värde får enligt SKF:s rekommendationer inte gå under 0,5 vid gynnsamma

förhållanden. Då det i detta fall kan bli vissa stötar i konstruktionen, får förhållandet

1 anses som mycket lämpligt.

Förklaringen till varför vi lät överdimensionera tapp och fästskruvar är alltså att

vi måste välja dessa större kullager med tanke på den statiska bärförmågan. Visserligen

hade vi kunnat välja rullager vilka har markant högre C0, men då vi är behjälpta

av en relativt stor rulldiameter (som klarar ojämnheter och föroreningar

som till exempel svetsslagg bättre), väljer vi de billigare kullagren.

3.3.4. Löpvagnens bromsanordning

Löpvagnen måste vid för stor kraft kunna glida längs profilrören trots att den är

låst (se avsnitt 3.3.). Detta löses genom att använda bromsklossar, vilka trycks mot

balkarna med ett av skruvar manövrerat länksystem, se figur 8.

Bromsklossarna tillverkas av för ändamålet lämpligt friktionsmaterial, vilket inhandlas

från APE (8).


Manipulator för rundsvets av kranpelare

Fig. 8. Principskiss över bromsanordningen

3.4. Svetspistolens justeringsanordning

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 17 av 23

Som beskrivits i avsnitt 2.1. är svetspistolens justeringsmöjligheter av stor vikt.

Vinklarna enligt fig. 2 justeras på följande sätt:

Vinkel a justeras genom att hela justeringpaketet vrids runt dubbdockans dubbrör.

Vinkel b justeras genom ett system med låsskruvar och styrtapp, se aktuella

ritningar.

I längd och höjdled sker justeringen med linjärgejdrar från Solectro (7). Denna

justering medger en radiejustering av 100 mm (65-165 mm) och en längdjustering

som tillsammans med dubbens slag blir 350 mm.

Armen med svetspistolen går att fälla undan. Det går då lättare att plundra och

ladda manipulatorn.

3.4.1. Svetspistol

I dagsläget används en svetspistol för manuell svetsning, vilken kläms fast i en

hållare vid rundsvetsningen. Samma pistol används för den manuella svetsningen

av cylinderöronen.

Vår tanke är att detta system ska kunna användas även i fortsättningen, även om

vi rekommenderar att en fast pistol används. Med en fast pistol skulle man kunna


Manipulator för rundsvets av kranpelare

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 18 av 23

säkra svetskvaliteten på ett bättre sätt, då eventuella fel vid montering av svetspistolen

elimineras.

Vår konstruktion har endast en fästplatta för svetspistolen, vilket gör det valfritt

att endera fortsätta att använda den befintliga utrustningen eller skaffa en ny.

4. Ergonomi och säkerhet

Svetsmanipulatorn är placerad på ett saxbord som är justerbart i höjdled. Detta för

att de olika operatörerna skall uppnå en så bra arbetshöjd som möjligt. Vi anser

även att åtkomsten till de olika inställningsreglagen måste vara lättillgängliga för

att inte orsaka onödiga risker med personskador som följd.

4.1. Säkerhetsanalys och CE-märkning

CE-analysen vi gjort bygger på maskindirektivet som säger att riskkällor skall

kartläggas och utredas. I vår utredning kom vi fram till att den största faran i denna

konstruktion är risken för klämskador. Vi anser att risken för klämskador vid

lyftcylinderöronen kan byggas bort med ett nerfällbart skydd, men detta ger en dålig

arbetssituation då operatören måste gå runt konstruktionen för att nå detta

skydd. Detta kan göra att en strömbrytare måste kopplas till denna skyddsutrustning

för att inte skyddet skall stå oanvänt.

Ett alternativ till detta skydd är att sätta in fler nödstoppar kombinerat med varningstexter.

Nödstopparna placeras både i armhöjd och i golvnivå, så manipulatorn

även går att stanna med foten.

Andra risker kan vara att bromsarna på dubbdockan av någon anledning inte

räcker till och att den därmed börjar glida längs pelaren. Ett justerbart stöd fångar

då upp pelaren så att den inte kan skada operatören. Detta stöd är ännu inte konstruerat,

men beskrivs mer under kapitel 6. Vidare måste lyftanordningar anpassas

till lyftmomenten. Ett utsug ska finnas med tanke på svetsröken som bildas, men

vi anser att det befintliga utsuget är användbart. Alla metallytor bör målas med en

matt färg som absorberar reflektioner av UV-strålning.


5. Ekonomi

Manipulator för rundsvets av kranpelare

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 19 av 23

Denna ekonomiska redovisning är omfattande, men ej heltäckande. Vi har redovisat

materialkostnaden utifrån den materialmängd som faktiskt går åt till konstruktionen,

inte utifrån de kvantiteter som materialen säljs i (bilaga 1). Att vi gjort så

beror på att vi räknar med att många av materialen, eller snarlika ersättningsmaterial,

ingår i företagets sortiment.

På materialkostnaden har lagts en generell summa för kapning, hantering osv.

på 30% av materialkostnaden.

Övriga köpedetaljer redovisas i bilaga 2.

Kostnaden som redovisas för arbetet (bilaga 3) är baserad på en erfarenhetsmässig

tidsuppskattning och ett pris per timme på 300-615 kronor.

Summa materialkostnad + hantering: 5 004 kr

Summa köpedetaljer: 21 765 kr

Summa arbetstidskostnad 18 650 kr

Totalsumma 45 419 kr


Manipulator för rundsvets av kranpelare

6. Diskussion och slutsatser.

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 20 av 23

Detta projekt har gått ut på att utveckla en manipulator för rundsvetsning av kranpelare.

Vi rekommenderar dock att utvecklingen inte stannar vid detta. Det finns

ofta detaljer vid utveckling av fixturer, som inte upptäcks förrän fixturen tillverkats

och börjat användas.

Efter att vi i projektets slutskede har gått igenom resultatet kan vi rekommendera

att man vid vidareutveckling tittar närmare på i första hand följande punkter:

• Skyddsplåtar för att skydda linjärenheterna mot svetssprut. Dessa måste

utformas så att de inte skymmer synfältet för svetsoperatören.

• Skyddshuv med svetsglas för att skydda svetsoperatören från UVstrålningen.

Denna kan förmodligen göras fast i pistolenheten, och följa med denna

när denna fälles undan. De i punkt 1 nämnda skyddsplåtarna kan förmodligen

också integreras.

• Stöd för kranpelarens ämnesrör. Vid laddning av manipulatorn lyftes först

ämnesröret in och därefter toppdelen. Innan dessa delar spänns ihop med dubben,

bör röret i den fria änden få vila på ett i höjdled justerbart stöd. En form av dylikt

stöd finns på den befintliga svetsmanipulatorn, men de önskvärda justeringsmöjligheterna

saknas. Vår tanke är att ett bättre stöd fästes i dubbdockan, vilket dubbdockans

dimensionering medger.

• Placering av manöverorgan. Manöverorganen samt nödstopp måste placeras

lätt tillgängligt för operatören. Vi kan tänka oss att även linjärenheternas

skruvanordningar flyttas närmare operatören genom att vajrar används.

• Svetsjord. Idag jordas den befintliga manipulatorn genom att en kopparwire

lindats ett antal varv runt den till chucken ingående axeln. Denna jordning

gör att svetsström passerar om inte igenom, så i varje fall förbi lagringarna. Vi rekommenderar

att denna jordning ersätts av jordborstar av samma typ som sitter i

moderna svetsmanipulatorer. Eftersom det bakom chucken sitter en platta, finns

utmärkta förutsättningar för att montera 2 till 3 stycken jordborstar. På detta sätt

skulle också svetsförloppet bli säkrare, då jordströmmens överföring säkerställs.

En fråga man kan ställa sig är om denna nykonstruerade utrustning bidrar till

tidsmässiga vinster i produktionen. Svaret är egentligen inte, det har heller inte varit

vårt huvudsakliga mål. På samma sätt som på den gamla manipulatorn, måste

svetsförloppet övervakas av operatören och svetspistolens läge justeras mellan

svetssträngarna. Givetvis finns en viss effektivisering i att svetspistolen är enklare

att justera jämfört mot den befintliga konstruktionen, men den huvudsakliga

vinsten ligger i det faktum att svetskvaliteten kan säkerställas med denna nya utrustning.

Om själva manipulatorn ska göras effektivare, krävs en svetsrobot vilket inte

kan motiveras ekonomiskt. Möjligen kan dock hastigheten på själva svetsförloppet

ökas genom metoden som beskrivs i kapitel 2.


Manipulator för rundsvets av kranpelare

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 21 av 23

Däremot finns det troligtvis goda möjligheter att effektivisera hanteringen runt

omkring själva svetsningen. Detta kan ske till såväl operatörens som företagets

fördel. Dock bör effektiviseringar göras endast om det är nödvändigt, förbättringar

av ett tillverkningsmoment kan skapa onödiga flaskhalsar på andra ställen i tillverkningskedjan.

Slutligen kan vi konstatera att vi har uppnått målet att förbättra säkerställandet

av rundsvetsoperationen, samtidigt som de större kranpelare som idag är och i

framtiden kan vara aktuella kan svetsas i manipulatorn.


7. Referenser.

Manipulator för rundsvets av kranpelare

(1) AGA.

http://www.aga.com 2003-11-05.

(2) Bertil Gustafsson, svetsansvarig på Ferruform i Luleå.

Tfn 0920-766 00, växel.

(3) PEKAB Pumpservice AB.

Kent Nilsson, tfn 0920-231 460

(4) Mekanex.

http://www.mekanex.se 2003-11-04.

(5) Sture Lönnelid, Rune Norberg:

Formelsamling för Teknologi och Konstruktion M.

(6) SKF Huvudkatalog.

(7) Solectro.

http://www.solectro.se 2003-10-30.

Tfn 040-536 600

(8) APE Industri AB

Tfn 08-632 63 70, Fax 08-632 08 60

(9) Gör rätt – Liten vägvisare i att göra riktiga skruvförband.

Utgiven av Bulten AB.

(10) Tibnor AB

www.tibnor.se 2003-12-02.

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 22 av 23


8. Bilagor.

Bilaga 1: Materialkostnader.

Manipulator för rundsvets av kranpelare

Bilaga 2: Kostnader för köpedetaljer

Bilaga 3: Kostnad för arbete.

Bilaga 4: Ritningsförteckning och ritningar

Examensarbete YTH

Version 1.3 2003-12-08

Sidan 23 av 23


Källa: Tibnor AB (www.tibnor.se 2003-12-02)

Materialkostnader

Ämne Artikel nr Dimension Längd Kostnad

Hålprofiler Tibnor mm m

Kr

VKR S355J2H 42601 80x80x5 7,5 1080:-

VKR S355J2H 77121 160x80x5 3,5 730:-

VKR S355J2H 24153 40x40x4 2,3 120:-

Material Artikel nr Dimension Längd Kostnad

Vinkelstång Tibnor mm m

Kr

S235JRG2 83469 40x40x4 0,3 7:-

Material Artikel nr Dimension Längd Kostnad

Ämnesrör Tibnor Dy x Di mm m

Kr

S420N 40342 56x36 0,4 154:-

S420N 54628 140x100 0,13 231:-

Material Artikel nr Dimension Längd Kostnad

Rundstång Tibnor Ø mm m

Kr

S235JRG2+C 31270 25 0,12 8:-

C45E 63144 20 0,6 34:-

Material Artikel nr Dimension Längd Kostnad

Plattstång Tibnor mm m

Kr

EN6082-T6 115787 50x40 0,2 40:-

Material Artikel nr Tjocklek Area

Plåt

Tibnor mm m 2

Kostnad

Kr

EN6082-T651 79443 12 0,1 191:-

Material Artikel nr Tjocklek Area

Cranab mm m 2

Kostnad

Kr

Domex 420 Mc 9029222 40 0,03 49:-

Domex 420 Mc 9028714 15 1,07 504:-

Domex 420 Mc 9670064 10 1,56 464:-

Domex 420 Mc 9030662 8 0,8 190:-

Domex 420 Mc 9670076 4 0,37 42:-

Material summa: 3844 Kr

Hanterings kostnad, 30%

av matrl. kost. 1160 Kr

Totalt 5004 Kr

Bilaga 1


Köpedetaljer

Offert från Art nr Detalj Antal Pris

Kr

PEKAB SK 9016.1-80 motor + vinkelväxlare 1 6800:-

PEKAB frekvensstyrning med

potentiometer

1 2400:-

APE 75-11B Friktionsmaterial, 1 1550:-

Industri AB

8,0x635x608

SOLECTRO 92510078676 DomiLINE 120, slag 100

mm

1 3845:-

SOLECTRO 92510078676 DomiLINE 120, slag 250

mm

1 3845:-

SOLECTRO 925031242 DomiLINE 120,

montageplatta

1 625:-

SOLECTRO 9250319241 DomiLINE 120,

fastsättningssats

1 170:-

SOLECTRO 0250319242 DomiLINE 120,

montageplatta

1 625:-

- 6004-2RS1 Kullager 6004-2RS1 12 900:-

Uppskattade

fraktkostnader

1000:-

Bilaga 2.

Summa köpedetaljer: 21 760 Kr


Arbetskostnader

ARBETE KOSTNAD

Ställtids kostnader a`615 Kr/h 2500:-

Operationstider a`615 Kr/h 1150:-

Svetsmontage a`300 Kr/h 4800:-

Montering a`300 Kr/h 6000:-

Målning inkl färg. a`615 Kr/h 1800:-

Iordningställande av arbetsplatsen a`300 Kr/h 2400:-

Summa Kr 18 650:-

Bilaga 3


Ritningar

Bilaga 4

Sida 1 (2)

I vissa sammanställningsritningar finns likadana detaljer som i andra. Om inte sökt

detaljritning hittas under önskad sammanställningsritning, så fån man gå in i nedanstående

förteckning och se under vilken sammanställningsritning den ligger.

I vissa fall refererar sammanställningsritningar till ritningsnummer x. Med det menas att

detaljen ej är uppritad.

Svetsmanipulator, ritn. nr: 100

Motdocka, ritn. nr: 200

Stora oket , ritn. nr: 300

Fästplåt, ritn.nr: 400

Stora oket, ritn. nr: 401

Bromsenhet, ritn. nr: 301

Bromsbelägg, ritn. nr: 402

Bromsarm, ritn. nr: 403

Bromsarm, ritn. nr. 500

Distans, ritn. nr: 404

Överarm, ritn. nr: 405

Överarm ritn.nr. 501

Sidoplåt, ritn. nr: 406

Tvärstag, ritn. nr: 302

Rullenhet, ritn.nr. 303

Rulle, ritn. nr: 407

Lageraxel, ritn.nr: 408

Ok, ritn. nr: 409

Bromsenhet, ritn. nr: 304

Bromsarm, ritn. nr: 410

Överarm, ritn.nr: 411

Stora oket, ritn.nr: 305

Botten plåt, ritn. nr: 306

Övre plåt, ritn.nr: 307

Undre plåt, ritn.nr: 308

Toppring, ritn. nr: 309

Stativ, ritn. nr: 201

Fästplatta, ritn.nr: 310

Revben, ritn.nr: 316


Svetsenhet, ritn.nr: 202

Fästblock, ritn. nr. 311

Pistolfäste, ritn. nr: 312

Fästarm, ritn. nr: 313

Rörsektion 3, ritn. nr: 412

Vinkelfäste, ritn. nr: 413

Rörsektion 2, Ritn. nr. 414

Rörsektion 1, ritn. nr: 415

Justeringsplåt, ritn. nr: 314

Bygel, ritn. nr: 315

Förstyvning, ritn. nr: 416

Spännplåt, ritn. nr: 417

Halvmåne, ritn.nr: 418

Bilaga 4

Sida 2 (2)

More magazines by this user
Similar magazines