Виды автоматизированных производств

51

51

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Виды автоматизированных производств

Приводы

Выбор ЛЭГП и АЗП

Составление схем ЛЭГП и АЗП

Расчёт линейного привода

Системы управления

Системы диагн. и управ. точн. обработки

Целевые механизмы

Устройства смены инструмента.

Устройства загрузки

Промышленные роботы

Особенности проектирования ГПС

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Роботы и автоматизация производства едва ли нуждаются в рекламе. В сфере производства развитых стран, таких, как США, под давлением международной конкуренции уже ощутили срочную необходимость в автоматизации. Эту срочность можно сравнить с той, которую ощущает жертва удава. Удав потихоньку сжимает свои объятия каждый раз, когда жертва расслабляется и выдыхает, что характерно для экономических подъемов с обычным для них ростом заработной платы и терпимостью в вопросе о себестоимости, изготовления изделий и технологии. Вероятно, наибольшая польза, извлекаемая из изучения возможностей применения в производстве промышленного робота, заключается в тщательной проработке конструкции изделия, оценке стабильности технологии и надежности имеющихся на производстве станков и другого оборудования. Такая предварительная проработка конструкции, анализ и совершенствование изделия и процесса могут быть настолько эффективными, что в конечном счете исключат необходимость применения роботов или другого автоматизированного оборудования.

Особого внимания при оценке необходимости использования роботов и автоматизации технологических процессов требуют объемы производства. Обычно считается, что для обеспечения успеха автоматизации необходимы огромные объемы производства, но эта старая истина начинает терять под собой почву. Современные научно-технические достижения позволили автоматизировать производства со среднесерийным выпуском изделий и использовать станки с ЧПУ различной степени гибкости для самых разных процессов.

Виды автоматизированных производств.

Рабочая машина - это сочетание механизмов или устройств, выполняющих определенные целесообразные действия для производства полезной работы.

С помощью рабочих машин изменяют форму, свойства, положение и состояние объектов труда. Любая развитая рабочая машина состоит из двигательного, передаточного и исполнительного механизмов. Наиболее важным в рабочей машине является исполнительный механизм, состав которого определяет технологические возможности, степень универсальности и наименование рабочей машины (токарный, фрезерный, сверлильный станок и т. д.). В рабочей машине обработка совершается без участия оператора, исполнительными механизмами в процессе обработки управляет сама рабочая машина.

Рабочий цикл. Для рабочей машины, как правило, характерна цикличность в работе, т. е. периодическая повторяемость отдельных движений, связанная с выпуском дискретных деталей. Происходит чередование рабочих движений исполнительных механизмов, производящих обработку и выполняющих вспомогательные движения, не связанные непосредственно с технологическим воздействием, обеспечивающим условия для выполнения рабочего цикла.

Рис.1 Схема рабочего цикла автомата.

После пуска рабочей машины сначала происходят вспомогательные движения: подача заготовки в зону резания, ее зажим, включение, подвод инструментов в течение времени t_в1 (рис. 1.). Затем происходит обработка в течение времени t_p, после этого вновь следуют вспомогательные движения в течение времени t_в2, отвод инструмента, разжим заготовок, выключение машины, снятие обработанной заготовки. Если рабочая машина функционирует нормально (нет отказа в работе), то далее снова следуют подача другой заготовки, ее зажим и т. д. При этом одни и те же операции повторяются, как правило, через одинаковый интервал времени, который называют рабочим циклом.

Следовательно, рабочий цикл -- это интервал времени между двумя одноименными операциями при безотказной работе машины.

Автоматом называют рабочую машину, которая при выполнении технологического процесса без участия человека производит все рабочие и вспомогательные ходы рабочего цикла и требует лить контроля и наладки.

Таким образом, конструктивным признаком автомата является наличие полного комплекта механизмов рабочих и вспомогательных ходов, осуществляющих все движения рабочего цикла и систему управления, координирующую их работу.

Так, для токарно-револьверного автомата представленная на рис. 2 схема реализуется следующим образом: / -- револьверный суппорт; 2 -- передний поперечный суппорт; 3 -- задний поперечный суппорт; 4 -- механизм зажима и подачи заготовки; 5 -- механизм поворота револьверной головки; 6--механизм быстрого подвода и отвода револьверной головки; 7- распределительный вал; 8 -- вспомогательный вал; 9--панель управления циклом.

Степень автоматизации машины можно повысить путем введения автоматизирующих механизмов и устройств для регулирования и стабилизации обработки, контроля качества изделий, зажима и подналадки инструмента, уборки отходов, замены инструментных коробок и т. д. Если работа этих механизмов не связана непосредственно с рабочим циклом

автомата, их называют внецикловыми.

Рис 2. Структурная схема механизмов автомата.

Полуавтомат. Если в комплекте целевых механизмов автомата отсутствуют один из его основных механизмов и этот элемент рабочего цикла выполняют вручную или с помощью средств механизации, то это -- полуавтоматическая рабочая машина (полуавтомат). Полуавтоматом называют машину, работающую в автоматическом цикле, для повторения которого требуется вмешательство рабочего (загрузка заготовок и съем изделий или ориентирование и зажим заготовок).

К полуавтоматам относят зуборезные станки (зубодолбежные, зубофрезерные, зубострогальные). В них рабочий производит вручную загрузку и закрепление заготовок в шпинделе, после чего нажатием кнопки включает автоматический цикл. Инструменты подходят к обрабатываемой заготовке и выполняют полный цикл нарезания всех зубьев при соответствующей координации всех рабочих движений; после обработки инструменты отводятся в исходное положение и станок сам выключается. Затем снимают готовую деталь, ставят новую заготовку и закрепляют ее; далее цикл повторяется.

Автоматическая линия -- это автоматически действующая система машин, расположенных в определенной технологической последовательности и объединенных общими средствами транспортирования заготовок, управления, накопления заделов, удаления отходов, и выполняющая определенную обработку заготовки какой-либо определенной детали.

Рис 3. Структурная схема автоматической линии

На рис. 3 показана структурная схема автоматической линии. Отдельные автоматы, встроенные в линию, являются конструктивными элементами, осуществляющими рабочие ходы, необходимые для реализации технологических процессов обработки, контроля, сборки, т, е. выполняют те же функции, что и механизмы рабочих ходов в отдельном автомате. Вспомогательные движения в линии осуществляются механизмами межстаночного транспортирования, ориентирования, накопления заделов, удаления отходов и т, п. Система управления автоматической линией также выполняет более сложные функции, чем в отдельном автомате -- не только координирует работу отдельных машин, механизмов и устройств при выполнении рабочего цикла линии, но и осуществляет взаимную блокировку, отыскивает неисправности, подсчитывает готовую продукцию и т, д.

Гибкой производственной системой (ГОСТ 26228--85) называют совокупность в разных сочетаниях оборудования с ЧПУ, РТК, гибких производственных модулей, отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования в автоматическом режиме в течение заданного интервала времени, обладающую свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик.

По организационным признакам различают следующие виды ГПС: гибкую автоматизированную линию; гибкий автоматизированный участок; гибкий автоматизированный цех.

Гибкая автоматизирозанная линия (ГАЛ) -- это ГПС, в которой технологическое оборудование расположено а принятой последовательности технологических операций.

На рис. 4 представлена структурная схема гибкой автоматизированной линии, которая характеризуется высокой мобильностью. Она легко переналаживается на изготовление деталей другого вида. Она состоит из единиц оборудования с высокой степенью автоматизации. Линия обычно позволяет обрабатывать заготовки деталей, выпускаемых малыми и средними партиями. Линия для механической обработки включает группу высокоавтоматизированных станков, транспортную систему автоматизированной подачи заготовок и инструмента, ЭВМ с системой программного управления и ряд других механизмов.



Рис 4. . Структурная схема гибкой автоматизированной линии

Гибкая производственная система, функционирующая по технологическому маршруту, в котором предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования, называется гибким автоматизированным участком.

Гибкая производственная система, представляющая собой в различных сочетаниях совокупность гибких автоматизированных линий, гибких автоматизированных участков, роботизированных технологических участков для изготовления изделий, заданной номенклатуры, называется гибким автоматизированным цехом.

На рис. 5 представлена структурная схема механизмов и систем управления гибкого автоматизированного цеха. Очевидно, что он представляет собой дальнейшую, более высокую ступень развития рабочей машины, в которой элементами, выполняющими рабочие ходы, являются уже отдельные гибкие автоматизированные линии. Функции механизмов вспомогательных ходов выполняют сложные системы межлинейного, межучасткового и межстаночного транспортирования заготовок, изделий, собранных узлов, системы автоматического складирования. Функции управления автоматизированным цехом осуществляются уже посредством автоматических и автоматизированных систем управления производством на базе вычислительной техники с использованием центральной ЭВМ, микропроцессорной техники, системы автоматизированного проектирования (САПР). Кроме того, здесь уже широко используются автоматизированные системы управления предприятием (АСУП), автоматизированные системы инструментального обеспечения (АСИО), автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП), автоматизированные транспортно-складские системы (АТСС) и т. д. Составной частью ГПС является гибкий производственный модуль (ГПМ).

Рис 5. Структурная схема гибкого автоматизированного цеха

Гибкий производственный модуль -- это единица технологического оборудования для производства изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик с ПУ, автономно функционирующая, автоматически осуществляющая все функции, связанные с их изготовлением, имеющая возможность встраиваться в ГПС.

На рис. 6 показана структурная схема ГПМ, которая характеризует общность структуры автомата и ГПМ как более совершенной рабочей машины, с более развитыми исполнительными механизмами. ГПМ предназначен для обработки ряда различных деталей, он может иметь устройство, определяющее износ инструмента, его поломки, ставить диагноз неполадок в работе и т. д.

Рис 6. Структурная схема ГПМ

Приводы

В качестве приводов главного движения в автоматических машинах большое распространение получил привод с механическими коробками скоростей, которые дают возможность ступенчатой настройки частоты вращения шпинделя. В большинстве конструкций автоматов механические коробки скоростей характеризуются сравнительной простотой конструкции. Изменение частоты вращения шпинделя или распределительного вала осуществляется обычно сменными зубчатыми колесами во время наладки автомата. В станках с ЧПУ применяют автоматические коробки скоростей в приводах главного движения. К приводам главного движения предъявляют следующие требования: необходимость использования всей мощности двигателя на любой заданной частоте вращения шпинделя, длительная работа при постоянной заданной частоте вращения и др.

Приводы подач сообщают движения суппортам, столам, агрегатным головкам, ползунам, заготовкам в круглошлифовальных станках, пинолям в сверлильных станках и т. д. Приводы подач должны обеспечивать: требуемый режим обработки; требуемый диапазон подач; требуемые силы; безлюфтовое движение исполнительного рабочего органа; заданное быстродействие; минимальное время на переключение скоростей и др.

В зависимости от требований изменение подачи может быть плавным или ступенчатым. При осуществлении ступенчатого ряда подач применяют механизмы: множительные, преобразующие, дифференциальные и планетарные, реверсивные, периодического действия, обгона. В зависимости от характера механизмов, используемых в приводах подач, в автоматизированном оборудовании применяют механические приводы, электромеханические приводы, гидравлические привод ы, электрогидравлические приводы.

ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА С АВТОНОМНЫМ ЗАДАТЧИКОМ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Рассмотрим основные конструкции ЛЭГП с АЗП, используемые в настоящее время в металлорежущих станках с ЧПУ. На рис. 7 приведен привод трехкоординатного фрезерного станка с ЧПУ 6520ФЗ. Стол / получает перемещение от гидроцилиндра 2. Ход и скорость перемещения стола задаются шаговым двигателем 3, откуда движение через редуктор 4, винт 5 и рычажный механизм 9 передается на дросселирующий распределитель. Последний состоит из ролика 7, закрепленного на подпружиненной планке 5 и ролика 6. Ролики охватывают витки прямоугольной винтовой нарезки винта 6, образуя безлюфтовое соединение рычага с винтом. Другой конец рычага 9 соединен с золотником 10. Корпус 11 распределителя установлен на салазках станка, по которым перемещается стол. Перемещение стола определяется числом импульсов, подаваемых на ШД, а скорость движения -- частотой следования импульсов. Одному импульсу в данном приводе соответствует перемещение 0,01 мм, диапазон рабочей подачи 1--1200 мм/мин, а скорость быстрых перемещений 4800 мм/мин. Микропереключатели 12 используются для остановки вращения ШД в тех случаях, когда смещение золотника относительно нейтрального положения превышает допустимое значение.

Многолетний опыт эксплуатации станков 6520ФЗ показал высокую надежность и долговечность конструкции ЛЭГП. Недостатком привода является значительная инерционность винта, длина которого соответствует длине рабочего хода стола, что снижает динамические характеристики привода, а также относительно низкая точность, связанная со сложностью конструкции рычажного механизма обратной связи.

Последний недостаток устранен в конструкции ЛЭГП с АЗП фирмы «Хартманн» (ФРГ) (рис. 8). Стол 1 станка связан с АЗП через винтовую передачу, содержащую винт 3 и гайку 2. При работе привода управляющие импульсы поступают на задающий электродвигатель 5, который поворачивает винт 3 через муфту, допускающую осевое смещение. На винте 3 жестко закреплен диск 4, взаимодействующий с четырьмя клапанами 7, запорные элементы которых поджаты пружинами 6. При осевом смещении винта 3 вследствие его ввертывания (вывертывания) в гайку 2 происходит смещение запорных элементов клапанов таким образом, что проходное сечение одной пары клапанов увеличивается, а другой -- соответственно уменьшается, вызывая перераспределение давления в полостях гидроцилиндра 8 и перемещение штока 9. Шток, перемещаясь, тянет за собой винт 3 с диском 4, стремясь вернуть клапаны в нейтральное положение. Четыре независимых распределительных элемента предназначены для регулирования нейтрального положения распределителя.

Рис. 7. Привод подачи стола фрезерного станка 6520ФЗ

Однако применение такой конструкции ограничивает варианты компоновки привода, что связано с размещением АЗП на конце ходового винта. Кроме того, возможна поломка несилового винтового механизма при перемещении штока неуравновешенной внешней нагрузкой, что происходит, например, при использовании привода для перемещения вертикально движущихся узлов, которые могут опускаться под действием собственного веса при выключенных гидравлических устройствах.



Рис. 8 Привод подачи стола фирмы «Хартманн» (ФРГ)

Другой вариант конструктивной реализации механизмов сравнения и обратной связи - привод, показанный на рис. 9. Стол станка 1 перемещается гидроцилиндром 2. Корпус цилиндра неподвижен, к нему прикреплен корпус 6 дросселирующего распределителя. Управляющие импульсы подаются на ШД 3, который через зубчатую передачу 4 поворачивает золотник 5 и связанный с ним задающий винт 8. Винт ввертывается в гайку-шестерню 7, которая зафиксирована в осевом направлении относительно корпуса 6 и смещает золотник 5 из нейтрального положения. Стол 1 перемещается и одновременно перемещает винт 10 обратной связи. Связанная с винтом гайка-шестерня 9 также зафиксирована в осевом направлении. Пара винт 10 -- гайка 9 выполнена несамотормозящей, поэтому перемещение винта вызывает вращение гайки 9, которое передается гайке-шестерне 7. Соответствующим подключением полостей гидроцилиндра 2 к распределителю и выбором направления резьбы винтов 8 и 10, обеспечивается отрицательная обратная связь по перемещению стола.



Рис. 9 Привод подачи стола фирмы «Яутзицу» (Япония)

По сравнению с рассмотренным выше этот привод более технологичен и позволяет разместить АЗП в удобном месте. Шаговый двигатель нагружен только малоинерционным винтом сравнивающего устройства, что улучшает динамические характеристики привода. Однако кинематическая структура АЗП затрудняет получение требуемых для металлорежущих станков дискретностей, составляющих 0,005--0,02 мм. Введение же понижающих передач в АЗП приводит к снижению его точности вследствие погрешностей, вносимых дополнительными звеньями.

Другой способ уменьшения инерционной нагрузки на ШД -- применение зубчато-реечных передач в механизмах обратной связи. Такой привод разработан фирмой «Рексрот» (ФРГ) (рис. 10). Задающий ШД 8 поворачивает по программе винт 7, который взаимодействует с гайкой 5, связанной через реечную шестерню 4 и рейку 3 со столом / станка. Винт 7 и гайка 5 функционируют как сравнивающее устройство. Разность углов поворота винта (заданное перемещение) и гайки (отработанное перемещение) преобразуется в осевое смещение винта 7 и золотника 6, в результате чего изменяется давление в рабочих полостях гидроцилиндра 2, поршень цилиндра и связанный с ним стол перемещаются до тех пор, пока золотник не вернется в нейтральное положение.

Рис. 10. Привод подачи стола фирмы «Рексрот» (ФРГ)

Привод прост по конструкции, однако, как и предыдущий, не обеспечивает требуемой дискретности. Кроме того, он имеет увеличенные поперечные размеры.

Рассмотренные недостатки устранены в конструкции ЛЭГП с АЗП фирмы «СИГ» (ФРГ) (рис. 11). При работе привода задающий электродвигатель 2 через муфту, которая может смещаться в осевом направлении, поворачивает червяк <3, находящийся в зацеплении с червячным колесом 5. На одном валу с червяком расположен четырех кромочный золотник 4. При повороте вала электродвигателя червяк перемещается вдоль оси и смещает золотник, вызывая перераспределение давления в полостях цилиндра и перемещение поршня 7, а также связанного с ним стола/. Обратная связь осуществляется фрикционным роликом 5, поджатым к поверхности штока. Шток, перемещаясь, поворачивает ролик 6 и сидящее с ним на одном валу червячное колесо 5, червяк 3 и золотник 4 перемещаются при этом к нейтральному положению. Пружина 5 служит для выбора люфта в кинематических передачах.

Рис. 10. Привод подачи стола фирмы «СИГ» (ФРГ)

Привод обеспечивает высокую технологичность изготовления, независимость исполнения задатчика от длины хода рабочего органа, малую инерционную нагрузку на ШД., предохранение от поломок в случае аварий и перегрузок, дискретность 0,002--0,05 мм.

Недостаток его -- низкая точность вследствие возможности проскальзывания фрикционного ролика по штоку.



Рис. 11. Структурная схема ЛЭГП с АЗП

Составление структурной схемы и определение

областей устойчивости ЛЭГП с АЗП

Структурная схема привода, показана на рис. 11. Схема позволяет наглядно показать взаимосвязь элементов привода с помощью следующих передаточных функций.

Угол поворота ШД преобразуется в смещение золотника:

Смещение золотника из нейтрального положения приводит к увеличению объема масла, поступающего в полость гидроцилиндра и вытесняемого из нее.

Часть этого объема идет на сжатие масла:

Под нагрузкой расход в гидрораспределителе уменьшается:

а возникший перепад давления, воздействуя на площадь поршня F, создает силу Р, которая затрачивается на преодоление сил инерции движущихся масс:

трения в направляющих и уплотнениях штока:

и полезной нагрузки R.

Расход масла, затрачиваемый на перемещение (х) штока, характеризуется звеном

а жесткая отрицательная обратная связь между штоком исполнительного цилиндра и золотником гидроусилителя -- звеном

После преобразования структурной схемы по правилам, известным из теории автоматического регулирования, получаем передаточную функцию разомкнутой системы

где К -- коэффициент усиления; Т -- постоянная времени; g -- коэффициент демпфирования, эти коэффициенты связаны с параметрами привода следующим образом:

Передаточная функция замкнутой системы, охваченной обратной связью,

или, подставив выражение для W_p (s) из формулы, окончательно получим

Для анализа устойчивости ЛЭГП с АЗП применяем алгебраический критерий Рауса--Гурвица для знаменателя выражения откуда находим

Подставив в формулу выражения для К, Т и G и пренебрегая величиной К_рJ по сравнению с 2F², получим следующий критерий устойчивости для линейных приводов:

В полученное неравенство входят три слагаемых, зависящих от динамических коэффициентов J, К_р и К_у линеаризованных характеристик трения рабочего органа и расхода гидрораспределителя, а также от ряда конструктивных параметров F, L, М, К_о.с. привода, причем первые два слагаемых повышают, а третье -- снижает устойчивость.

Таким образом, неравенство определяет область возможных соотношений основных параметров привода, обеспечивающих отсутствие автоколебаний, и будет использовано в дальнейшем при разработке методики расчета ЛЭГП с АЗП

Расчёт линейного электрогидравлического привода

подач с автономным задатчиком перемещений

Исходными данными для расчета являются: масса рабочего органа (М), длина хода (L), требования к точности позиционирования (Е), диапазону скоростей (u_mln -- v_mitx), тяговой силе (R)_t жесткости (J), скоростной ошибке (Е_ск).

Цель расчета -- выбор модификации АЗП, площади F поршня гидроцилиндра и подведенного давления р_н

Расчет состоит из трех этапов.

1-й этап. По требуемому диапазону скоростей и точности

позиционирования выбираем одну из модификаций привода (см. табл. 3.1) с дискретностью Д, равной 0,005; 0,01 или 0,02 мм, и коэффициентом обратной связи Ко.с. равным 0,65 или 1,30.

2-й этап. Задаваясь несколькими значениями давления в напорной линии (например, р_н равно 0,2; 4; 6; 8; 10 МПа) определяем требуемую площадь гидроцилиндра по следующим четырем критериям.

А. Требование устойчивости согласно формуле:

где Кз. у -- коэффициент запаса по устойчивости.

Б. Требование по полезной нагрузке согласно выражению

где Кз.в -- коэффициент запаса по нагрузке.

В. Требование по жесткости в соответствии с формулой

Г. Требование по скоростной ошибке согласно выражению

где K_F4 -- коэффициент пропорциональности.

Значения K_р, K₇, p_y, K_F4 зависят от характеристик гидрораспределителя. Так как во всех модификациях АЗП используется один и тот же гидрораспределитель, то эти параметры являются постоянными величинами (их значения указаны выше). Окончательно для расчета площади F получаем следующую систему неравенств:

Кроме того, на параметры р_н н F накладываются следующие огоаничения:



где p_нmin, p_нmax, F_min, F_max -- допустимые значения соответственно давления и площади гидроцилиндра.

По результатам расчета в координатах р_н -- F строим пересечение областей, удовлетворяющих неравенствам .

3-й этап. Проверяем качество переходного процесса спроектированного привода. Если привод окажется излишне задемпфированным (время переходного процесса Т >0,1 с, перерегулирование А = v_max/v_p =1), необходимо увеличить давление или уменьшить площадь в пределах их допустимых значений, если же привод окажется излишне колебательным (Т < 0,05 с, А >1,3), необходимо уменьшить давление или увеличить площадь.

Если пересечения областей в соответствии с выражениями (3.35) и (3.36) не существует, необходимо пересмотреть требования к жесткости и скоростной ошибке (уменьшить их) или, если это сделать невозможно, следует принять другую конструкцию АЗП.

Системы управления

Управление металлорежущими станком можно представить как воздействие на его механизмы и устройства для выполнения требуемого технологического процесса обработки заготовки с заданными точностью, производительностью и себестоимостью обработки. Оно может выполняться с участием или без участия человека -- системой ПУ.

При автоматическом управлении технологическим оборудованием функции его управления выполняет уже не человек, а система автоматического (программного) управления, работающая по заранее составленной управляющей программе, вводимой в систему управления с помощью программоносителя (кулачков, копира, упоров, перфоленты и др.).

На рис. 12 показаны различные варианты исполнения систем автоматического управления станком.

I.Системы управления с распределительным валом (РВ) и кулачками, где управляющая программа задается в аналоговом виде -- в виде рабочих и командных кулачков, устанавливаемых на РВ в соответствии с разработанной циклограммой.

II. Копировальные системы управления, где управляющая программа также задается в аналоговом виде -- в виде копира.

III -Системы циклового программного управления (ЦПУ), в которых управляющая программа уже задается в двух видах:

размерная информация в аналоговом виде -- в виде путевых упоров, устанавливаемых на сменных линейках;

цикловая информация -- в цифровом виде, путем набора на пульте управления.

IV. Системы числового программного управления (СЧПУ), в которых вся информация управляющей программы задается в цифровом виде и (либо) вводится с помощью перфоленты, либо набирается на пульте непосредственно оператором и вводится в память системы управления, либо подается от ЭВМ более высокого уровня управления.



Рис. 12 Различные варианты автоматического управления станком

Системы диагностики и управление точности обработки

Любое спроектированное и изготовленное технологическое оборудование и его система ПУ в процессе эксплуатации должны находиться в работоспособном состоянии. Под этим понимают такое состояние данного оборудования (станка, линии) и системы ПУ, при котором значения всех их параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации. Если значение хотя бы одного параметра не соответствует этим требованиям, то данное технологическое оборудование или система его управления будут находиться в неработоспособном состоянии. Когда нарушается работоспособное состояние технологического оборудования или системы его управления, наступает отказ в их работе.

При работе станка с ЧПУ происходит взаимодействие большого числа механических, гидравлических, пневматических и электронных устройств и элементов, от правильного и надежного функционирования которых в значительной степени зависит точность выполнения заданной программы управления обработкой заготовок. При этом важно не только обеспечить безотказное функционирование станка с ЧПУ, но и обеспечить в течение установленного периода эксплуатации выполнение обусловленных его назначением технологических операций с показателями качества и производительностью, установленными нормативно-технической документацией, т. е. обеспечить заданную технологическую (параметрическую) надежность.

Изменение точности станка с ЧПУ в процессе эксплуатации происходит вследствие действия на него различных внутренних и внешних факторов.

Изменение точности станка с ЧПУ в процессе эксплуатации в результате действия на него указанных факторов, обусловливается появлением допустимых и недопустимых повреждений как в самом станке, так и в устройстве ЧПУ.

Обеспечение высокой точности и надежности работы станков с ЧПУ в процессе их эксплуатации непосредственно связано с системой их технического обслуживания, своевременного и качественного выполнения профилактических работ и ремонта (рис. 13).

Под техническим диагностированием понимают определение технического состояния объекта диагностирования (станка, его отдельных узлов и механизмов, системы управления, ее отдельных блоков и элементов и др.) с определенной точностью. Его результатом является заключение о техническом состоянии данного объекта с указанием, при необходимости, места, вида и причины дефекта.

Применение систем технического диагностирования позволяет значительно сократить простои технологического оборудования благодаря оперативной выдаче информации о месте и характере дефекта, а также дает возможность прогнозировать состояние отдельных элементов технологической системы (станка, СЧПУ, режущих инструментов), оценивать погрешность обрабатываемых заготовок и своевременно выдавать информацию для проведения технического обслуживания и ремонта.

Система технического диагностирования является, как правило, частью системы управления данным технологическим оборудованием и использует чаще всего те же информационные каналы.

Системы технического диагностирования предназначены только для нахождения неисправностей, но не дли их устранения. Поэтому введение этих систем не увеличивает надежности технологического оборудования, но зато позволяет быстрее определить местонахождение и характер дефекта, сократить простои и повысить производительность оборудования.

При создании системы технического диагностирования рекомендуется руководствоваться следующими основными принципами построения.

1.Система технического диагностирования должна быть составной частью общей системы управления технологическим оборудованием (станком с ЧПУ) и создаваться на единой с ней методологической и элементной базе так, чтобы можно было использовать общие информационные каналы.



Рис. 13. Схема поддержания заданной точности и надежности работы станка

Для получения диагностической информации необходимо максимально использовать существующие устройства системы управления. Сама СЧПУ должна иметь систему самодиагностики, построенную с использованием тест-программ.

2. Система технического диагностирования должна эффективно функционировать не только в процессе эксплуатации технологического оборудования, но и при его наладке, подготовке и ремонте.

3. Система технического диагностирования по своим функциям, структуре и используемым техническим средствам должна соответствовать уровню автоматизации соответствующего производства. При встраивании оборудования в гибкие автоматизированную линию, участок, цех его система технического диагностирования наряду с системой управления должна быть составной частью соответствующей общей АСУ производством.

4. Диагностическая информация должна подаваться в центральный пульт обслуживания технологического оборудования в расшифрованном и доступном для пользователя виде. Необходимая часть информации должна подаваться в запоминающее устройство (с указанием времени, дня и даты) для последующего накопления и анализа этой информации, а также прогнозирования состояния технологического оборудования и его отдельных узлов и механизмов. При наличии центральной ЭВМ эта информация должна поступать и в нее.

5. При необходимости подача диагностической информации должна сопровождаться подачей акустических или (и) оптических сигналов. Разработка системы диагностирования требует детального изучения всех возможных неисправностей, их причин и последствий. При этом необходимо сконцентрировать внимание на тех неисправностях, которые вызывают самые длительные простои оборудования и наибольшие затраты на устранение их последствий.

Диагностирование может проводиться непрерывно в процессе всего времени работы станка и обработки заготовок, например, контролируется температура в шкафу УЧПУ или температура масла в гидросистеме станка и др. В отдельных случаях диагностирование может проводиться оператором в зависимости от конкретных требований и условий.

Целевые механизмы

Механизмы, служащие для выполнения отдельных элементов технологического процесса и частных движений рабочего цикла на автомате или автоматической линии, называют целевыми. Отдельные целевые механизмы автомата или автоматической линии должны быть увязаны как в пространстве, так и во времени работы для осуществления рабочего цикла без вмешательства человека. Весь комплекс взаимно увязанных целевых механизмов и образует исполнительный механизм рабочей машины.

Агрегатные станки и автоматические линии компонуют из самостоятельных функциональных сборочных единиц путем объединения их в единый комплекс с общей системой управления и контроля. К таким сборочным единицам относятся шпиндельные узлы, силовые головки, силовые столы, станины, поворотные столы и др.

Силовые узлы предназначены для сообщения режущим инструментам главного движения и движения подачи (силовые головки) или только движения подачи (силовые столы).

С помощью силовых головок можно выполнять токарные, фрезерные, сверлильные, расточные, резьбонарезные, шлифовальные и другие операции.

Гидравлические силовые головки получили наиболее широкое применение в агрегатных станках и автоматических линиях, что объясняется значительными их преимуществами по сравнению с головками других типов.

Гидравлические головки используют для выполнения как легких, так и тяжелых работ.



Рис. 14. Самодействующая одношпиндельная силовая головка габарита 03

На рис. 14 приведена самодействующая одно шпиндельная силовая головка габарита № 3 с верхним расположением электродвигателя. Движение от электродвигателя 1 через цилиндрические зубчатые колеса z₁ z₂, z₃, сменные колеса А и Б, цилиндрические колеса z₄ и г_ь передается на шпиндель 4 головки. Одновременно от зубчатого колеса z₃ через зубчатое колесо z₆, упругую муфту 2 получает вращение малогабаритный пластинчатый насос 5, подающий масло через гидропанель в гидроцилиндр подачи 6, предназначенный для перемещения корпуса головки по направляющей плите 5. Управление циклом работы головки производится с помощью кулачков, закрепленных в Т-образных пазах направляющей плиты и непосредственно воздействующих на рычаг гидропанели, прикрепленной снаружи к корпусу головки (гидравлические упоры управления), либо электромагнитов, включаемых конечными выключателями, на которые воздействуют соответствующие кулачки (электрические упоры управления). Число и расположение упоров управления зависят от требуемого цикла работы головки.

Пинольные головки предназначены главным образом для обработки заготовок с использованием одного шпинделя, однако предусмотрены их конструктивные модификации для обработки с использованием нескольких параллельных шпинделей. В последнем случае на пиноли закрепляют шпиндельную насадку, а на корпусе головки -- плиту с двумя скалками, служащими для направления насадки. Шпиндели насадки приводятся во вращение от шпинделя головки непосредственно или через промежуточные валики, С помощью пинольных головок могут также выполняться фрезерные операции. В этих целях предусмотрены различные фрезерные насадки с расположением фрезерного шпинделя перпендикулярно к шпинделю головки.

Сверлильные бабки служат для сверления, зенкерования и развертывания отверстий. Сверлильная бабка (рис. 15) состоит из шпинделя 1 и корпуса 2 с фланцем 3 для установки привода вращения шпинделя. Шпиндель установлен на радиальных шариковых подшипниках. Осевая сила воспринимается упорным подшипником установленным в передней опоре.

Рис. 15. Сверлильная бабка

На корпусе могут закрепляться кронштейн со штангами для установки кондукторной плиты. Для сообщения инструменту движения подачи сверлильная бабка устанавливается на силовом столе.

Расточные бабки предназначены для растачивания отверстий без направления по кондукторным втулкам,

В корпусе 2 (рис. 16) расточной бабки смонтирован шпиндель 3. Передней опорой шпинделя служит двухрядный роликовый подшипник с коническим отверстием внутреннего кольца, а задней опорой -- два радиальных шарикоподшипника. Осевые силы воспринимаются упорными шарикоподшипниками. Для установки привода вращения шпинделя на корпусе бабки выполнен фланец 1.

Расточные бабки изготовляют нормальной и повышенной точности.

Рис. 16. Расточная бабка

Устройства для автоматической смены инструмента

Особенность многоцелевых станков с ЧПУ -- наличие устройств автоматической смены инструментов, основное назначение которых -- сокращение времени простоя станков, затрачиваемого на смену инструмента. В зависимости от компоновки станка и его технологических возможностей устройства автоматической смены инструментов включают: накопители инструментов (револьверные головки, магазины шпиндельных гильз, инструментальные магазины); загрузочно-разгрузочные устройства для съема и установки инструмента в шпиндель станка (инструментальные загрузочные автооператоры); промежуточные конвейерные устройства для передачи инструмента от накопителя к загрузочно-разгрузочному устройству при больших расстояниях от шпинделя до накопителя (автооператоры, перегружатели); промежуточные накопители инструментальных наладок, являющиеся местом замены инструмента при больших емкостях магазина.

При использовании системы автоматической смены инструментов вращающийся инструмент обычно устанавливают в специальных патронах или оправках так, чтобы можно было закреплять различные инструменты с высокой точностью.

Наиболее широкое применение в современных многоцелевых станках с ЧПУ получили инструментальные магазины, которые выполняют в виде отдельных механизмов для хранения инструментов (100 шт, и более). В соответствии с программой обработки инструменты автоматически выбираются из магазина и загружаются в шпиндель станка. Использованные инструменты автоматически возвращаются в магазин. Выбор конструктивной схемы и проектирование системы автоматической смены инструментов производятся в зависимости от назначения и компоновки станка. Это особенно важно при создании ГПС. При этом необходимо учитывать, что различные заготовки при их обработке требуют различного числа инструментов. Применение достаточно крупных магазинов инструментов и накопителей заготовок позволяет обработать значительное число различных заготовок с помощью ГПС, включающих многоцелевые станки с ЧПУ.

Наибольшее распространение получили инструментальные магазины дискового, барабанного и цепного типов. В зависимости от компоновки станка они могут располагаться на шпиндельной бабке, колонне, станине или вне станка (рис. 17).



Рис. 17. Типы инструментальных магазинов

При расположении дискового магазина на шпиндельной бабке (рис. 17, а) не требуется дополнительной координации положения магазина и шпинделя при смене инструмента загрузочным автооператором. Цикл работы автооператора наиболее простой. Однако расположение магазина на шпиндельной бабке увеличивает ее размеры и массу, что уменьшает точность обработки. При расположении магазина на станине (рис. 17, б--е) шпиндельная бабка разгружается, цикл смены инструмента усложняется. При каждой смене инструмента шпиндельная бабка должна дополнительно перемещаться из рабочего положении в положение дли смены инструмента и обратно. При установке магазина на стойке, расположенной рядом со станком (рис. 17, ж), динамические нагрузки магазина не влияют на точность работы станка. Однако увеличиваются габаритные размеры станка, а следовательно, площадь, необходимая для его установки. Многосекционные магазины барабанного типа (рис17, з), обладая большой вместимостью, позволяют использовать при работе станка одну из секций магазина без перемещения всего запаса инструментов. Конструкция магазинов цепного типа (рис. 17, и, к) такова, что можно изменять их вместимость без существенного изменения конструкции станка.

При проектировании системы автоматической смены инструмента станка вместимость инструментального магазина должна быть рассчитана так, чтобы можно было обработать заготовки определенных групп по возможности без дополнительной комплектации магазина инструментом. При этом необходимо предусмотреть наличие в магазине определенного базового инструмента для сверления, фрезерования, тук как это дает возможность компоновать магазин дополнительно только тем инструментом, который нужен для обработки заготовок новой группы. Кроме того, число мест в магазине необходимо увеличить с учетом того, что инструменты с меньшей стойкостью или с увеличенным временем резания необходимо иметь в магазине в двух или трех экземплярах, чтобы лучше организовать их переналадку

На рис. 18 показан горизонтально-расточной станок с ЧПУ и автоматической сменой инструмента и заготовок.



Рис. 18. Горизонтально-расточной станок с ЧПУ

Устройство автоматической смены инструмента включает инструментальный магазин 3 цепного типа, автооператор 1 смены инструмента и траверсу 2, по которой перемещается автооператор. Вертикальное перемещение траверсы 2 осуществляется приводом 4. Шпиндельная бабка 6 перемещается вертикально по стойке 5. Заготовки закрепляют на спутниках 9 в позициях загрузки (тумба 8) после чего они автоматически перемещаются на рабочий стол 7, Все основные узлы станка смонтированы на станине 10.

Цепной инструментальный магазин расположен с левой стороны стойки. Из магазина 3 инструмент вынимается, переносится и вставляется в рабочий шпиндель автооператором /, который перемещается по траверсе 2. Смена инструмента может производиться в любом положении шпиндельной бабки 6. Во время работы станка траверса находится в нижнем положении.

Продольное перемещение и поворот руки автооператора, подъем и опускание траверсы, вращение цепи магазина выполняется от электродвигателей постоянного тока. Цепь магазина может вращаться в обе стороны. Поиск инструмента происходит по кратчайшему пути. Останов цепи осуществляется после последовательного тройного снижения скорости. После нахождения требуемого инструмента и останова цепи магазина она фиксируется с помощью фиксатора, приводимого в действие гидроприводом. Фиксированное и расфиксированное положение цепи магазина контролируется двумя конечными выключателями.

Устройства для загрузки на станке

При обработке на станках-автоматах штучных заготовок их загрузку и выгрузку выполняют с помощью бункерных или магазинных механизмов питания, автооператоров, автоматических манипуляторов или промышленных роботов.

Бункерные механизмы питания используют для загрузки заготовок малых и средних размеров, сравнительно простой конфигурации или имеющих различные признаки, позволяющие производить их автоматическое ориентирование.

Магазинные механизмы питания применяют при загрузке заготовок, имеющих сложную конфигурацию, или при большом времени обработки. Автооператоры, автоматические манипуляторы и промышленные роботы применяют для загрузки заготовок на станки, встроенные в АЛ, РТК, и ГПС.

Наиболее развитым с точки зрения выполнения функций загрузки -- выгрузки обрабатываемых заготовок типом механизма питания является бункерный. Бункерный механизм питания состоит из двух основных функциональных узлов: бункерно-ориентирующего устройства и автооператора, между которыми расположен лоток-накопитель (магазин). Бункерно-ориентирующее устройство предназначено для накопления, выборки из навала, ориентирования и подачи заготовок в лоток-накопитель. Автооператор загружает ориентированные заготовки в патрон шпинделя станка, а также снимает и выводит из зоны обработки детали. Лоток-накопитель предназначен для создания запаса заготовок между бункерно-ориентирующим устройством и автооператором для компенсации неритмичности подачи заготовок из бункерно-ориентирующего устройства к автооператору. В бункерном механизме питания все операции загрузки и выгрузки заготовок выполняются автоматически. Оператор только засыпает навалом заготовки в бункер и следит за работой станка.

Загрузочное устройство, в которое входят только лоток-накопитель (магазин) и автооператор, называют магазинным. В данных загрузочных устройствах заготовки вручную укладываются в ориентированном (определенном) положении в магазин, а затем они автоматически подаются в зону обработки и выводятся из нее.

По способу поштучной выборки заготовок из общей массы в бункере все бункер но ориентирующие устройства делят на две группы: с захватными органами и без захватных органов.

В устройствах с захватными органами выборка заготовок из бункера и их ориентация выполняются с помощью возвратно-поступательных или вращательных движений механических захватных органов (крючков, штырей, шиберов, дисков с карманчиками и т. д.). Недостатки этих устройств следующие: наличие большого числа движущихся деталей и трущихся поверхностей, большая интенсивность перемешивания заготовок и связанные с этим большие силы, быстрое изнашивание, а также возможные поломки захватных органов и повреждение поверхности подаваемых заготовок.

В устройствах без захватных органов заготовки выбираются из бункера, перемещаются и ориентируются благодаря силам трения и инерции. Среди устройств этой группы наиболее перспективны вибрационные загрузочные устройства (ВЗУ), в которых заготовки перемещаются по лоткам благодаря силам инерции и трения, возникающим при колебании лотков.

На многоцелевых (многооперационных) станках для повышения их производительности широко используют специальные устройства, обеспечивающие автоматическую смену обрабатываемых заготовок. Эти устройства представляют собой многопозиционные загрузочные столы, на которых во время обработки одной заготовки устанавливают и закрепляют следующую заготовку, подлежащую обработке. Все применяемые в настоящее время системы автоматической смены обрабатываемых заготовок предусматривают использование приспособлений-спутников и загрузочно-разгрузочных устройств для их автоматической смены. На столе станка имеются встроенные или накладные элементы для базирования закрепления приспособлений-спутников.

На рис. 19 приведены схемы устройств автоматической смены заготовок на многоцелевых станках. В системах с челночным перемещением приспособлений-спутников (рис.19, а) вдоль оси одноместные загрузочные устройства располагаются с двух сторон от стола. Каждое загрузочное устройство выполнено в виде тумбы с конвейером, направляющими и приводами перемещения спутников. При смене спутника стол станка сначала перемещается по оси X к свободному загрузочному устройству для передачи спутника с обработанной заготовкой, а затем к загрузочному устройству, на котором находится спутник с новой заготовкой. Схема с параллельным перемещением спутников вдоль оси Z (рис. 19, б) более удобна для присоединения станков к общей транспортной системе, либо к накопителю спутников с заготовками. Если стол станка не имеет возможности перемещаться вдоль оси X, то применяют двухместные загрузчики, которые могут перемещаться по оси X, это осуществляется либо перемещением самого загрузчика по направляющим, либо перемещением салазок по направляющим станины загрузочного устройства.



Рис. 19. Схемы устройств автоматической смены заготовок

на многооперационных станках

На рис. 19, б приведена Т-образная схема расположения столов-спутников. В этом случае загрузочные устройства располагаются по обе стороны стола станка в одном из крайних его положений по оси X. При такой компоновке загрузочных устройств перемещение спутников на обе платформы может осуществляться одним приводом. Система с Г-образной схемой компоновки позиций загрузки спутников приведена на рис. 19, г. Два одноместных загрузочных устройства могут располагаться вблизи одного из крайних положений подвижного стола или у неподвижного стола под углом друг к другу (рис. 19, д). Такая схема применяется в станках с поворотным столом, так как это необходимо для совмещения направляющих стола с направляющими каждого из загрузочных устройств. Стол станка должен совершать поворот на угол, соответствующий углу между загрузчиками. При этом зона доставки заготовки к станку (и от станка), а также зона работы оператора, устанавливающего и снимающего заготовки на приспособлениях-спутниках, становится более компактной. Устройство смены спутников с одной позицией загрузки и поворотным столом показано на рис. 19, е. Это устройство обеспечивает оператору удобный доступ как к станку, так и к позиции загрузки при замене и подготовке к обработке различных заготовок.