close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

13.Основы технологии автоматизированного производства в машиностроении

код для вставкиСкачать
Акулович Л.М., Жолобов А.А., Мрочек Ж.А.
ОСНОВЫ
ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОИЗВОДСТВА В МАШИНОСТРОЕНИИ
Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве
учебного пособия для студентов машиностроительных специальностей
высших учебных заведений
Минск
УП «Технопринт»
2003
5
СОДЕРЖАНИЕ
Перечень условных обозначений…………………………………………… 5
Введение…………………………………………………………………….… 6
1. Автоматизация технологической операции механической обработки
заготовок деталей………………………………………………………….… 8
1.1. Этапы автоматизации рабочего цикла металлорежущих станков….. 8
1.2. Методы автоматизации рабочего цикла металлорежущих станков в
массовом, серийном и единичном производствах ……………..………… 9
1.3. Автоматизация технологической операции ………………………… 24
1.3.1. Установка и снятие заготовки ……………………………………. 24
1.3.2. Смена режущего инструмента ……………………………………. 33
1.4. Автоматизация производственных процессов с гибко переналаживаемой технологией механической обработки …………………………… 37
1.4.1. Гибкие производственные модули ……………………………… 39
1.4.2. Гибкие производственные системы ……………………………… 60
1.5.Технологическая подготовка производства деталей на станках с ЧПУ…77
1.5.1. Особенности подготовки производства при внедрении
станков с ЧПУ ……………………………………………………………… 77
1.5.2. Разработка управляющих программ для станков с ЧПУ ………. 89
2. Автоматизация подготовки производства изделий ………………… … 105
2.1. Современные направления автоматизация подготовки
производства изделий ………………………………………………………. 105
2.2. Автоматизация проектирования и компьютерное моделирование
технологических процессов в интегрированных САПР………………… 109
2.2.1. Интеграция конструкторских и технологических систем
автоматизированного проектирования…………………………… 109
2.2.2. Моделирование геометрической точности механической обработки
резанием…………………………………………………………………… 113
3. Разработка технической документации для станков с ЧПУ и
определение последовательности обработки ………………………….… 120
3.1. Определение последовательности обработки………………….…… 121
3.2. Примеры проектирования технологических процессов……………. 123
3.3. Обработка фрезерованием…………………………………………… 133
3.4. Особенности обработки заготовок на обрабатывающих центрах…..
3.5. Классификация автоматических линий и особенности их
компоновки ……………………………………………………………… 145
3.6. Требования к технологичности конструкции……………………. 150
3.7. Выбор типа и структуры автоматической линии……………….… 151
3.8. Выбор приспособлений и инструмента……………………………. 152
3.9. Особенности определения режимов резания и нормирование…… 153
4. Проектирование высокоэффективных технологических процессов .
обработки…………………………………………………………………… 155
4.1. Технологический процесс механической обработки вала редуктора
6
в условиях серийного производства………………………………… 155
4.2. Технологический процесс механической обработки вала редуктора
в условиях массового производства………………………………… 158
5. Технология сборки машин………………………………………………… 171
5.1. Особенности процесса сборки при изготовлении машин ……… 171
5.2. Классификация процессов сборки………………………………… 172
5.3. Размерные расчеты сборочных процессов………………………… 173
5.4. Структура и содержание технологического процесса сборки…… 175
5.5. Машина и сборочные единицы………..…………………………… 177
5.6. Последовательность сборки машины, построение схемы и циклограмм
сборки………………………………………………………………… 181
5.7. Структура и организация сборочных операций…………………… 186
5.8. Нормирование сборочных операций, организация и планирование
рабочих мест сборщиков…………………………………………… 193
5.8.1. Структура и определение норм времени на операции……………. 193
5.8.2. Организация и планирование рабочих мест……………………… 195
6. Механизация и автоматизация сборочных процессов…………………… 197
6.1. Механизация технологических операций…………………………… 198
6.2. Механизация вспомогательных процессов сборки машин………… 206
6.3. Автоматизация операций…………………………………………… 208
6.3.1. Сущность процесса соединения двух деталей для обеспечения их
автоматической сборки……………………………………………….. 208
6.3.2. Определение условий собираемости……………………………….. 212
6.3.3. Технологичность конструкций деталей и сборочных единиц
при автоматической сборке…………………………………………. 217
6.3.4. Выбор метода достижения точности при автоматической сборке…
224
6.3.5. Анализ схем базирования деталей при автоматической сборке… 228
6.3.6. Кинематические и геометрические связи, обеспечиваемые автоматическим сборочным устройством…………………………………. 238
6.3.7. Последовательность проектирования автоматического
сборочного оборудования………………………………………… 242
6.3.8. Особенности автоматической сборки резьбовых, шпоночных и
шлицевых соединений…………………………………………….. 248
6.3.9. Автоматические сборочные машины и роботы…………………. 262
Литература……………………………………………………………………. 277
7
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ПУ – программное управление;
ЧПУ – числовое программное управление;
ОЦ – обрабатывающие центры;
АОЦ – агрегатные обрабатывающие центры;
РТК – роботизированные технологические комплексы;
ГПМ – гибкие производственные модули;
ГПС – гибкие производственные системы;
ГАУ – гибкие автоматизированные участки;
ГАЛ – гибкие автоматизированные линии;
САПР – системы автоматизированного проектирования;
АСТПП – автоматизированные системы технологической подготовки производства;
АСУП – автоматизированные системы управления производством;
СПИД – система “станок-приспособление-инструмент-деталь”;
Δ – погрешность обработки;
F – фонд времени работы оборудования;
N – количество выпускаемых изделий за период времени F;
j – жесткость технологической системы;
t – глубина резания;
B – ширина обработки;
Sz – подача на зуб;
So – подача на оборот;
Sм – минутная подача;
T – период стойкости инструмента;
L – длина заготовки;
V – скорость резания.
8
В В Е Д Е Н И Е
Более 70% продукции машиностроения выпускается на предприятиях серийного производства, которым присущи широкая номенклатура выпускаемых
изделий и необходимость частой переналадки оборудования. Поэтому, в условиях рыночной экономики к числу важнейших характеристик современного
машиностроительного производства относится гибкость, то есть способность
его быстрой переналадки, адекватной спросу потребителя. В настоящее время
машиностроительный комплекс приобретает такие новые качества, как гибкость и высокий уровень автоматизации.
Технический прогресс в машиностроении осуществляется по следующим
направлениям:
- совершенствование существующих технологических процессов;
- разработка и внедрение новых технологических процессов на основе автоматизации различных типов производств. Создание гибких производственных систем (ГПС), систем автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированных систем технологической подготовки производства (АСТПП), ), автоматизированных систем управления производством (АСУП);
- разработка и внедрение новых способов обработки и современных
технологий;
- разработка и освоение в производстве нового прогрессивного оборудования;
- совершенствование технических условий на изготовление деталей
и узлов машин, внедрение новых стандартов.
Одновременно с освоением прогрессивных технологий, вторым фактором,
определяющим научно-технический прогресс в машиностроении, всегда была
автоматизация производственных процессов. Это обусловлено тем, что автоматизация, помимо повышения производительности труда, обеспечивает стабильность качества изделий, повышает точность обработки, решает ряд проблем социального характера окружающего нас мира.
До появления систем числового программного управления металлорежущими станками понятия гибкость и автоматизация были альтернативными, так
как для автоматизации цикла работы станка, при изменении номенклатуры обрабатываемых деталей, требовались большие затраты на подготовку производства. В результате этого повышение производительности труда за счет автоматизации не покрывало затрат, вызванных переналадкой станков в многономенклатурных производствах. Использование систем числового программного
управления циклом работы станков позволило уменьшить трудоемкость обработки в 2-5 раз в зависимости от сложности деталей и вида обработки. Однако,
при этом остаются неавтоматизированными ряд ручных операций, связанных с
загрузкой заготовок и выгрузкой готовых деталей, подбором и установкой ин9
струментов и требуемой оснастки, периодическим контролем точности обработки, подналадкой станка и т.п. Автоматизация указанных операций обусловила создание роботизированных технологических комплексов (РТК) и гибких
производственных модулей (ГПМ).
В мелкосерийном производстве коэффициент загрузки станков с ЧПУ составляет 0,4 – 0,6, а коэффициент сменности их использования – 1,4-1,6. При
обработке заготовок партиями более 90% времени они ожидают своей очереди
и только 5 – 10% времени обрабатываются на станках. К тому же требуется дополнительное время, связанное с хранением и вводом управляющих программ,
их оперативным редактированием, диспетчированием работы станков. Стремление к минимизации этих потерь времени привело к созданию на базе станков
с ЧПУ, РТК и ГПМ, автоматизированных комплексов оборудования - гибких
автоматизированных участков (ГАУ) и гибких автоматизированных линий
(ГАЛ). Их использование позволяет повысить коэффициент загрузки станков
до 0,8, а коэффициент сменности до 1,8-2,0; сократить сроки подготовки производства на 50-70%; уменьшить объем сборочно-пригоночных работ за счет
точности и стабильности (повторяемости) размеров деталей. Концентрация
операций механической обработки на станках с числовым программным
управлением типа “обрабатывающий центр” сокращает время межоперационного движения заготовок деталей, что приводит к уменьшению потребности в
производственных площадях и оборотных средствах.
Состав и структура гибких автоматизированных комплексов оборудования
определяется технологическими аспектами производства.
Разработку технологических процессов на изготовление каждой машины
для всех типов производств и при качественной оценке механизации и автоматизации технологических процессов по виду, ступени, категории следует начинать с изучения служебного назначения машины и анализа норм точности и
технических требований.
В учебном пособии изложены основные подходы к автоматизации операций
механической обработки в единичном, серийном и массовом производствах на
основе использования станков и другого технологического оборудования с
программным управлением (ПУ). Приведены конкретные примеры проектирования высокоэффективных технологических процессов изготовления деталей
с использованием станков с ЧПУ и сборки изделий в условиях автоматизированного производства.
Предлагаемое учебное пособие предназначено для студентов машиностроительных специальностей ВУЗов, учащихся техникумов и колледжей, инженерно-технических и научных работников, аспирантов и магистров.
Авторы выражают признательность за большую работу по рецензированию
рукописи и за сделанные при этом замечания сотрудникам кафедры “Технология металлов” Белорусского государственного аграрного технического университета, а также известным специалистам в области разработки САПР и
управляющих программ для станков с ЧПУ к.т.н. Родионовой О.Л. и Скробу
В.Н.
10
1. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОПЕРАЦИИ
МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ
1.1.
Этапы автоматизации рабочего цикла металлорежущих станков
Отечественный и зарубежный опыт автоматизации производств с различной серийностью показывает, что существует множество возможных путей
решения этой проблемы. При всем многообразии технических решений по автоматизации технологических процессов их основная цель – повышение производительности обработки.
При выполнении любой технологической операции продолжительность
цикла [1]
T = tp + tx,
(1.1)
где
tp – время, затрачиваемое непосредственно на обработку заготовки детали, то есть время формообразования;
tx – время, затрачиваемое на холостые перемещения (подача, установка и
снятие инструмента и заготовки, включение в работу отдельных механизмов, ускоренный подвод и отвод инструмента, измерение поверхностей деталей и т.п.), не совмещенные во времени с обработкой, т.е. цикловые потери времени.
Штучная (цикловая) производительность характеризуется величиной,
обратной затратам времени на обработку одной детали,
1
(1.2)
Qшт. = .
T
Если технологическая операция выполняется рабочим органом станка
непрерывно, то есть отсутствуют вспомогательные перемещения (tx =0), не совмещенные во времени с обработкой, штучная производительность равна технологической QT:
1
(1.3)
Qшт. = = QT .
tp
Технологическая производительность не учитывает потерь на холостые
перемещения и характеризует уровень совершенства технологического способа
изготовления детали.
Используя (1.1), (1.2) и (1.3), получим зависимость штучной производительности от технологической
QT
.
(1.4)
Qшт. =
1+ t x ⋅ QT
Отсюда следует, что использование прогрессивной технологии (новых
11
инструментов, современных способов обработки, высоких режимов и т.п.) не
может быть высокоэффективным без сокращения цикловых потерь времени,
основной составляющей которых являются холостые перемещения исполнительных органов станка. Самое действенное средство сокращения времени холостых перемещений – это автоматизация полного цикла работы станка и технологического процесса в целом.
Непрерывное повышение уровня автоматизации металлообрабатывающего оборудования является объективной закономерностью его развития. Эта
закономерность иллюстрируется графиком (рис.1.1) зависимости штучной
производительности от технологической при различных величинах tx [1].
Рис.1.1. График зависимости штучной производительности (Qшт) от технологической (Qт) для металлообрабатывающего оборудования:
1-4 – с различным уровнем автоматизации; 1`-3` – рациональные пределы
повышения технологической производительности при соответствующих
значениях времени холостых перемещений (tx); 5 – величина предельной
производительности станка при заданном значении tx
Рис.1.1. График зависимости штучной производительности (Qшт) от технологической (Qт) для металлообрабатывающего оборудования:
1-4 – с различным уровнем автоматизации; 1`-3` – рациональные пределы
повышения технологической производительности при соответствующем
времени холостых перемещений (tx); 5 – величина предельной производительности станка при заданной величине tx.
Результаты анализа данных рис.1.1 показывают, что интенсификация
12
технологического процесса после определенного уровня (линии 1′ 2′ 3′) не оказывает существенного влияния на увеличение производительности обработки
без сокращения времени холостых перемещений рабочих органов станка. С
увеличением технологической производительности при конкретном значении
tx производительность станка сначала резко повышается, а затем асимптотически приближается к пределу, равному 1 / tx (линия 5), и в этом случае дальнейшее повышение технологической производительности QT не дает заметного
увеличения производительности обработки. Максимальное значение штучной
производительности в этом случае будет:
QT
= QT .
(1.5)
Qшт. max = Lim
t x →0 1+ t ⋅ Q
x
T
То есть, чем меньше величина tx, тем выше штучная производительность
и тем больше возможностей ее повышения путем увеличения технологической.
Когда дальнейшее совершенствование технологического способа становится малоэффективным, то это свидетельствует о том, что станок исчерпал
свои возможности, на смену ему приходит новая модель (или модификация) с
более высоким уровнем автоматизации. Это, в свою очередь, обусловливает
дальнейшее совершенствование технологии и т.д. (рис. 1.1).
Анализ тенденции развития автоматизации производственных процессов
показывает, что эта задача решается поэтапно с выделением трех основных
уровней [1, 2]:
- автоматизации рабочего цикла технологического оборудования:
- автоматизация группы технологического оборудования, создание автоматических линий;
- комплексная автоматизация производственных процессов, создание цехов и заводов-автоматов.
1.2. Способы автоматизации рабочего цикла металлорежущих станков в массовом, серийном и единичном производствах
Производительность и гибкость - главная задача автоматизации.
Тип производства предъявляет основные требования к технологическому оборудованию. До недавнего времени считалось, что в массовом производстве
главное требование к оборудованию - его высокая производительность, в серийном и единичном производствах - гибкость (универсальность и мобильность), вызванная необходимостью частой смены выпускаемых изделий. Это
объясняется тем, что понятия автоматизации и гибкости считались альтернативными.
Однако за последние годы заметно исчезает граница между требованиями к технологическому оборудованию в массовом и серийном производствах.
Это обусловлено, с одной стороны, спросом рынка, требующего частой сменяемости объекта производства, с другой стороны, развитием средств управления технологическим оборудованием на базе использования достижений мик13
роэлектроники и средств числового программного управления (ЧПУ).
В настоящее время в условиях производства любого типа (массового, серийного, единичного) к технологическому оборудованию в качестве главных
предъявляются требования высокой производительности и гибкости. Обязательным и первостепенным условием выполнения указанных требований является автоматизация рабочего цикла оборудования, т.е. автоматизация задания и
выполнения программы управления каждой единицей технологического оборудования.
Под п р о г р а м м о й у п р а в л е н и я м е т а л л о р е ж у щ и м
с т а н к о м (ПУ) понимается последовательность команд, обеспечивающих
функционирование рабочих органов станка по выполнению операции обработки заготовки детали.
Программа управления станком содержит технологическую и геометрическую информацию.
Т е х н о л о г и ч е с к а я и н ф о р м а ц и я - это данные о технологии
обработки, содержащие сведения о смене заготовок и инструмента, последовательности ввода их в работу, выборе и изменении режимов обработки, включении в работу в определенной последовательности различных исполнительных
органов станка, автоматическом измерении размеров обрабатываемой заготовки детали или инструмента и т.п.
Г е о м е т р и ч е с к а я и н ф о р м а ц и я - это данные, содержащие
сведения о размерах отдельных элементов детали и инструмента, их положении относительно выбранного начала координат.
С т а н к и с р у ч н ы м у п р а в л е н и е м. На универсальных
станках с ручным управлением рабочий, пользуясь чертежом детали или эскизом обработки, преобразует прочитанную им информацию в определенную последовательность движений рук и воздействует на органы управления станком.
В этом случае человек задает и выполняет программу управления станком, т. е.
управляет циклом работы станка и величиной перемещений его исполнительных органов. Главным достоинством такой системы управления является ее
универсальность и гибкость. Однако использование человека в качестве основного элемента системы управления станком сдерживает рост производительности оборудования.
В последние годы универсальные станки с ручным управлением стали
оснащать системами ручного ввода данных и цифровой индикации (в обозначении модели станков отмечаются индексом Ф1). Рабочий на специальной панели задает численное значение координат, на которые должны выйти исполнительные органы станка после включения подачи. На подвижных органах таких станков устанавливаются датчики положения, которые подают сигналы в
систему цифровой индикации. Численные значения координат детали или инструмента непрерывно индицируются на световом табло (визуализаторе), что
позволяет контролировать получаемые размеры в процессе обработки.
Системы ручного ввода данных и цифровой индикации обеспечивают
повышение точности обработки и, снижая утомляемость рабочего, способст14
вуют росту производительности. Используются эти системы чаще всего в
станках токарной и сверлильно-расточной групп. Однако они не позволяют автоматизировать рабочий цикл станка и не высвобождают рабочего.
С т а н к и - а в т о м а т ы и п о л у а в т о м а т ы. Использование
человека в качестве основного элемента системы управления станком сдерживает рост производительности оборудования. Поэтому дальнейшее развитие
автоматизации металлообрабатывающих станков связано с созданием высокопроизводительных станков-автоматов и полуавтоматов, программа управления
которыми задается на программоносителе. Рабочий цикл такого оборудования
полностью автоматизирован.
В зависимости от способа задания на программоносителе информации,
необходимой для реализации рабочего цикла, системы управления металлообрабатывающими станками делятся на нечисловые и числовые.
В нечисловых системах управления информация физически материализована в виде модели-аналога, управляющего исполнительными органами
станка. Рабочий цикл станков с нечисловыми системами управления формируется либо при разработке самой системы управления, либо при проектировании
программоносителя. В качестве программоносителей в таких системах управления используются кулачки, копиры, шаблоны, путевые и временные командоаппараты. Гибкость такой системы управления обеспечивается за счет проектирования и изготовления новых программоносителей, переналадки командоаппарата и самого станка.
Станки с программоносителем в виде модели-аналога имеют важное достоинство, состоящее в том, что возможности увеличения производительности
станков не ограничиваются субъективным фактором - участием человека в
реализации рабочего цикла, а достигаются максимально возможным совмещением всех вспомогательных и рабочих движений, использованием одновременной работы многих режущих инструментов.
Основные недостатки аналоговых программоносителей:
- невозможность быстрой переналадки станков на обработку другой детали;
- высокая стоимость переналадки;
- неудовлетворительная точность обработки вследствие повышенного
износа программоносителей, т.к. они передают не только закон перемещения
исполнительных органов станка, но и усилия для его реализации;
- точность обработки зависит от точности изготовления программоносителя и снижается по мере его износа.
В силу этих особенностей аналоговые программоносители используются в
металлорежущих станках для массового и крупносерийного производств с устойчивой во времени конструкцией выпускаемых изделий.
Станки с цикловой системой программного
у п р а в л е н и я. В серийном производстве широкое применение нашли
станки с цикловой системой программного управления (в обозначении модели
станка отмечаются индексом Ц). В этих станках в программоноситель вводится
15
технологическая информация, а геометрическая информация задается расстановкой упоров на специальных линейках или барабанах.
Различают [3] следующие виды систем циклового программного управления: кулачковые, аппаратные, микропрограммные и программируемые.
Для пояснения принципа работы системы циклового программного
управления рассмотрим кулачковое управление, выполненное на командоаппарате с шаговым приводом или на штекерной панели.
Функциональная схема цикловой системы программного управления
приведена на рис. 1.2. Устройство задания и ввода программы обеспечивает
систему управления станком технологической информацией и осуществляет
поэтапный ввод этой информации. Устройство задания программы чаще всего
выполняют в виде штекерной или кнопочной панели (рис. 1.3), а устройство
поэтапного ввода - в виде шагового искателя или счетно-релейной схемы.
Устройство
задания и ввода
программы
Исполнительный
орган станка
Устройство
управления
Устройство контроля
окончания отработки этапа программы
Рис.1.2. Функциональная схема цикловой системы
программного управления
Штекерная панель 1 представляет собой сетку гнезд, состоящих из двух
половинок, одна из которых подключена к реле, а другая - к контакту шагового
искателя 3. При каждом включении электромагнита 5 контактная пластина 4
посредством храпового механизма поочередно переходит с одного контакта на
другой, подавая напряжение на горизонтальные ряды штекерных гнезд панели 1. Под напряжением оказываются только те реле, которые соединены с
гнездами со вставленными штекерами. В результате выполняются заданные
технологические команды, например, включение привода подачи. В конце
движения кулачок исполнительного органа нажимает на рычаг путевого переключателя 2, в результате чего размыкается замкнутый контакт этого переключателя и замыкается разомкнутый контакт. При этом отключается реле Р1, перемещение прекращается, и включается электромагнит 5, который переносит
пластину 4 на следующий контакт. Выполнение следующего этапа программы
продолжается.
Программа управления формируется расстановкой штекеров в соответствующие гнезда панели с тем, чтобы составить такие электрические схемы
16
включения исполнительных органов станка, которые. сменяя друг друга, осуществляют последовательные этапы обработки.
При необходимости специальных циклов система управления иногда содержит дополнительную штекерную панель.
Для облегчении программирования станка используют изготовленные из
тонких листовых материалов трафареты, которые заготавливают заранее. Их
накладывают на панель, и в отверстия трафаретов вставляют штекеры.
Рис.1.3. Схема устройства задания и ввода программ со штекерной панелью:
1 – штекерная панель; 2 – путевые переключатели; 3 – шаговый искатель; 4
– контактная пластина; 5 – электромагнит; Р1…Р3 – реле включения исполнительных органов станка
Штекерные панели могут быть выполнены по типу функциональных
программных полей. В этом случае все поле штекерной панели разделяется на
функциональные участки. Программа задается путем соединения отдельных
гнезд различных функциональных участков панели.
Кроме штекерных панелей используются кулачковые командо-аппараты,
представляющие собой цилиндрические барабаны с рядами гнезд. Число гнезд
по окружности барабана определяет количество возможных этапов программы,
а число гнезд вдоль образующей - возможное количество программируемых
параметров. В гнезда барабана закладывают шарики или штифты, воздействующие на электрические контакты, включая цепи соответствующих исполнительных органов станка. Устройство управления, усиливая и тиражируя коман17
ды, обеспечивает управление элементами, перемещающими исполнительные
органы станка.
Принцип работы аппаратного управления основан на формировании необходимых электрических схем включения исполнительных органов станка с
использованием контактной или бесконтактной аппаратуры.
В микропрограммных системах весь набор необходимых циклов программного управления хранится в запоминающих устройствах. За последнее
время широкое применение получило программируемое цикловое управление,
основанное на использовании бесконтактных устройств программируемой логики, получивших название программируемых контроллеров. В качестве элементной базы программируемых контроллеров используются микроэлектронные интегральные схемы. Программу обработки задают нажатием клавиш с
обозначениями логических элементов. По сравнению с релейно-контактной
аппаратурой бесконтактные электронные блоки имеют высокую надежность в
работе и малые габариты.
Для задания геометрической информации часто используют групповые
путевые переключатели, состоящие из упоров и блоков переключателей. Упоры устанавливают на панели или барабане с пазами в соответствии с размерами, заданными на эскизе обработки. Панели могут быть съемными, что позволяет производить их настройку вне станка. Упоры бывают нерегулируемые
(грубые) и регулируемые (точные) с микрометрическими винтами. Такие магнитные упоры, штрихи из ферромагнитного материала на латунном барабане
используются в качестве групповых переключателей. Магнитная головка,
встречая такой штрих, дает сигнал об окончании перемещения. Окончание отработки этапа программы может контролировать реле времени, реле давления
и т.п.
Цикловая система программного управления отличается высокой надежностью в работе с простотой составления программы обработки. Однако наладка и переналадка станков с цикловой системой управления требует значительного времени, поэтому эти станки используют в средне- и крупносерийном
производствах при больших партиях запуска заготовок, обеспечивающих работу станка без переналадки в течение не менее одной смены.
В силу ограниченных технологических возможностей системы циклового
программного управления позволяют производить обработку заготовок деталей простой геометрической формы и сравнительно невысокой точности. Эти
системы наибольшее использование получили в токарно-револьверных станках.
Станки с числовым программным управлением
(ЧПУ). Отличие станков с ЧПУ от станков с нечисловыми системами управления - не только в принципе построения программного управления. Реализация идеи ЧПУ выдвинула ряд требований к конструкции самого станка, без
выполнения которых использование систем ЧПУ осталось бы малоэффективным. Например, система ЧПУ позволяет обеспечить высокую точность перемещения исполнительных органов станка (до 2 мкм). Для возможности перено18
са этой точности на размеры обрабатываемых заготовок деталей необходимо,
чтобы механические узлы станка удовлетворяли соответствующим требованиям. Поэтому оснащение станков системами ЧПУ повлекло пересмотр их конструкций следующим образом:
- базовые узлы выполняются более жесткими, при этом станина должна
обеспечивать удобный доступ к обрабатываемой заготовке детали и свободный
сход стружки. С этой целью в станках токарной группы применяют наклонные
станины (рис.1.4) с плоскими 3 или круглыми 4 направляющими. Большие расстояния между стальными закаленными направляющими и площади их опорных поверхностей обеспечивают малое распределенное давление, возникающее от усилий резания, а надежная защита от загрязнений и автоматическая
смазка – долговечность работы станка с сохранением постоянной точности;
- узлы привода главного движения обеспечивают бесступенчатое регулирование частоты вращения шпинделя (рис.1.5а,б);
- в шпиндели встраиваются устройства автоматического зажима и разжима инструмента (рис.1.5в);
- узлы привода подач выполняются с короткими кинематическими парами (беззазорные редукторы) и шариковыми винтовыми парами, обеспечивающими высокую жесткость, плавность хода, минимальные потери на трение
(рис.1.6);
- направляющие выполняются более износостойкими, с малым коэффициентом трения (направляющие качения, гидростатические или на воздушной
подушке);
- в станках встраиваются дополнительные автоматические устройства
смены инструмента, уборки стружки, смазки, загрузочные и другие устройства;
- шпиндели станков располагаются, как правило, в отдельном корпусе
передней бабки, вследствие чего возможны минимальные исполнительные
размеры бабки и ее высокая жесткость. Симметричная форма передней бабки
обеспечивает термическую стабильность и минимальное изменение размеров
при повышении температуры. Передняя опора шпинделя выполняется на спаренных подшипниках с предварительным натягом, что обеспечивает повышенную точность. Независимая смазка подшипников шпинделя снижает потери на
трение и увеличивает их долговечность. Шкив для зубчатого клиновидного
ремня через отдельные подшипники устанавливается обычно на опорном стакане 3 (см. рис.1.5а) и радиальные усилия от ремней не воспринимаются шпинделем, поэтому шпинделю передается только крутящий момент;
- в конструкциях станков предусмотрена установка автоматических измерительных систем с обратной связью. По результатам измерения параметров
инструмента или обработанных поверхностей заготовок деталей система определяет величину необходимой поднастройки станка и выдает сигнал для ее
19
Рис.1.4. Схема автоматизации уборки стружки на токарных станках
с ЧПУ: а – свободный сход стружки; б – компоновка транспортера
для удаления стружки; 1 – шпиндель; 2 – каретка с инструментом;
3 – плоские направляющие; 4 – круглые направляющие; 5 – место
сбора стружки; 6 – транспортер; 7 – приемное устройство для
стружки
20
Рис.1.5. Варианты конструктивных схем шпиндельных узлов станков
с ЧПУ: а – с разгрузкой шпинделя от изгибающего момента привода;
б – двигатель-шпиндель; в – с устройством автоматического зажимаразжима инструмента; 1 – шпиндель; 2 – подшипники; 3 – опорный
стакан; 4 – приводной шкив; 5 – ротор; 6 – статор; 7 – датчик;
8 – цанга зажима инструмента; 9 – толкатель; 10 – тарельчатые
пружины
21
Рис.1.6. Конструктивное исполнение шариковой винтовой пары с вращающимся винтом и перемещающейся гайкой:
1 – винт; 2 – гайка; 3 – шарики; 4 – трубки возврата шариков; 5 – арочный
профиль резьбы
осуществления.
22
Рабочий цикл станка с ЧПУ осуществляется автоматически от управляющей программы. Управляющая программа - это совокупность команд на
языке программирования, соответствующая заданному алгоритму функционирования станка при обработке конкретной заготовки. Управляющая программа
содержит как геометрическую, так и технологическую информацию. В качестве программоносителя на смену магнитным лентам и перфолентам пришли
гибкие магнитные диски (дискеты), постоянные запоминающие устройства.
На рис. 1.7 приведена последовательность прохождения информации от
чертежа к заготовке при формировании поверхностей детали на станках с ЧПУ.
На основе чертежа детали и технологического процесса ее изготовления разрабатывают управляющую программу, которая содержит в виде чисел в определенной последовательности данные о геометрии поверхности детали и технологии обработки ее заготовки. При записи этих чисел используют адресную
систему команд, суть которой состоит в том. что каждому числу предшествует
определенная буква латинского алфавита в зависимости от того. что обозначает данное число.
Управляющая программа с помощью специальных устройств вводится в
систему ЧПУ. Система ЧПУ состоит из двух основных частей: устройства ЧПУ
и привода исполнительных органов.
Устройство ЧПУ выполняется, как правило, в виде отдельного узла, а
блоки привода встраиваются в шкаф электрооборудования станка, а также устанавливаются на самом станке.
Функции, выполняемые устройством ЧПУ, разделяются на основные
(выполнение необходимых расчетов, управление приводами подач станка и
вспомогательными механизмами в соответствии с заданной программой) и дополнительные (коррекция положения режущего инструмента, цифровая индикация и т.п.).
Вид системы ЧПУ в обозначении модели станка указывается индексами:
Ф2 - станки с позиционными или прямоугольными системами ЧПУ, в которых осуществляется перемещение от точки к точке без задания траектории
этого перемещения:
ФЗ - станки с контурными системами ЧПУ, в которых осуществляется
управление всеми траекториями перемещения рабочих органов, т.е. задаются
не только начальная и конечная точки, но и закон перемещения (траектория и
режим ее прохождения исполнительным органом);
Ф4 - станки с универсальными системами ЧПУ для позиционноконтурной обработки (используются на многооперационных станках типа «обрабатывающий центр»).
В зависимости от уровня использования средств вычислительной техники системы ЧПУ классифицируются следующим образом:
- системы типа NC (Numerical Control) - числовое программное управление, осуществляющие адресование команд, расчет некоторых элементов гео-
23 детали
Чертеж
Разработка
управляющей
программы
Технологический процесс обработки
Устройство
задания
Блок технологических
команд
Устройство обработки
информации
Устройство
управления приводом
Исполн.
органы
Станок
с ЧПУ
Деталь
Привод
Рис.1.7. Последовательность прохождения информации от чертежа к детали
метрии детали по жестко заданным алгоритмам, интерполяцию промежуточных точек по опорным, реализацию типовых циклов по жестко заданным алго24
ритмам, реализованным аппаратным способом. Информация в систему ЧПУ
типа NC вводится с управляющей программы кадрами (порциями). Эти системы устарели и в настоящее время не выпускаются;
- системы типа MNC (Memory NC) или SNC (Stored NC)-агрегатноблочные системы ЧПУ типа NC, оснащенные дополнительным блоком оперативной памяти, позволяющим хранить информацию об управляющей программе. Программа в устройство ЧПУ вводится сразу, проверяется, а затем выдается для обработки кадрами. Емкость такой памяти составляет до 16 К (или 40 м
длины перфоленты). Преимуществом системы типа MNC по сравнению с системой типа NC является высокая надежность в работе, так как не используется
сложное фотосчитывающее устройство для каждого кадра программы;
- системы типа CNC (Computer NC) - системы управления со встроенной
микроЭВМ (микропроцессором) и с программной реализацией алгоритмов, которые записываются в постоянное запоминающее устройство при изготовлении устройства ЧПУ. Системы типа CNC имеют возможность формировать типовые циклы обработки применительно к различным технологическим задачам. Программно-математическое обеспечение для реализации этой возможности хранится в постоянно перепрограммируемом запоминающем устройстве.
Системы CNC позволяют программировать логику работы электроавтоматики
силового оборудования станка, а также осуществлять ручное задание управляющей программы на пульте управления. Преимущество таких систем по
сравнению с системами типа MNC - отсутствие необходимости со стороны
оператора в использовании услуг технолога-программиста.
Структурная схема устройства ЧПУ типа CNC приведена на рис. 1.8 [3].
Оснащение станков системами ЧПУ позволяет осваивать в серийном и
единичном производствах следующие технико-организационные принципы,
присущие массовому производству:
- высокую производительность за счет оптимизации режимов резания и
автоматизации вспомогательных перемещений;
- высокую точность обработки и идентичность размеров обработанных
деталей. что облегчает сборку изделий;
- уменьшение объема разметочных работ;
- концентрацию операций механической обработки, что сокращает количество контрольных операций и количество станочной оснастки и инструмента;
- сокращение циклов изготовления изделий и сборки узлов;
- уменьшение ручного труда и перенос его в сферу инженерного;
- контроль размеров инструмента и детали.
25
Устройство
ввода УП
Микропроцессор
Панель управления и индикации
Память для
считывания
Дисплей
Контроллер
локальной сети
Таймер
Память для
записи/
считывания
Сверхоперативная
память
Контроллеры приводов подачи и
технологических функций
Дисковая
память
Рис.1.8. Структурная схема устройства ЧПУ типа CNC
26
1.3. Автоматизация технологической операции
1.3.1. У с т а н о в к а и с н я т и е з а г о т о в к и
Автоматизация рабочего цикла станков, с одной стороны, резко повысила производительность обработки, с другой стороны, свела функции станочника к установке заготовки и снятию обработанной детали, т.е. к выполнению
монотонной нетворческой работы. Поэтому следующим этапом в решении
проблемы автоматизации металлорежущего оборудования является автоматизация установки заготовки на станок и снятия детали после обработки.
И с п о л ь з о в а н и е с м е н н ы х с п у т н и к о в. Для повышения производительности за счет совмещения вспомогательного времени, затрачиваемого на съем обработанной детали и установку очередной заготовки в
приспособление, с машинным временем обработки и автоматизации смены заготовок в современных многооперационных станках с ЧПУ используются специальные механизмы. Заготовки при этом устанавливаются на сменных столахспутниках, представляющих собой плиту унифицированной конструкции, позволяющей фиксировать и закреплять заготовку на столе станка [1]. Механизм
смены заготовок в автоматическом режиме удаляет из рабочей зоны спутник с
обработанной деталью и подает вместо него спутник с закрепленной на нем заготовкой.
Устройства смены спутников могут иметь разнообразные конструктивные решения. По принципу организации смены спутников их можно разделить
на две группы: маятникового действия; поворотные.
На рис.1.9 приведены схемы смены спутников в устройствах 3,5 маятникового типа. Во время обработки заготовки обработанная деталь снимается со
спутника на позиции 3, а очередная заготовка устанавливается на позиции 4.
Смена спутника на рабочем столе 2 станка осуществляется либо возвратнопоступательным перемещением стола (схема а), либо поворотом и возвратнопоступательным перемещением стола с использованием выдвижных телескопических захватов (схема б).
При смене спутников с использованием поворотных устройств (рис.1.10а, в)
обработанная деталь с рабочего стола 2 при помощи выдвижных телескопических захватов подается на позицию 3, затем происходит поворот стола, и на
место спутника с обработанной деталью поступает спутник с заготовкой 4, который телескопическими захватами подается на рабочий стол.
Устройства, выполненные по схеме рис.1.10б, обеспечивают смену спутников только одним поворотом барабана, который может быть двух- и многопозиционным. В последнем случае барабан выполняет функции также и накопителя заготовок.
Из рассмотренных видов устройств наименьшее время смены спутников
(около 6 с) имеют устройства, выполненные по схемам рис.1.9а и 1.10б, однако
они не встраиваются в гибкие автоматизированные комплексы без конструктивной доработки.
27
Устройства, выполненные по схемам рис.1.9б и 1.10а,в, встраиваются в
гибкие автоматизированные комплексы. Время смены спутников в таких устройствах составляет 30...80 с.
Оснащение многооперационных станков с ЧПУ устройствами смены
Рис.1.9. Схемы смены спутников в устройствах маятникового типа:
а – с совмещенными позициями для установки заготовок и снятия деталей;
б – с автономными позициями для установки заготовок и снятия деталей; 1
– шпиндель станка; 2 – рабочий стол станка; 3 – позиция установки-снятия
заготовок; 4 – позиция установки заготовок; 5 – позиция снятия деталей
спутников и накопителями заготовок позволяет производить автоматическую
переналадку многооперационных станков с ЧПУ при переходе на обработку
заготовки детали другого наименования и встраивать эти станки в гибкие автоматизированные комплексы. В этом случае устройства смены спутников выполняют функции приемно-передающих устройств в транспортнонакопительных системах. Установка заготовки на спутник и снятие обработанной детали может осуществляться оператором вручную или автоматически.
И с п о л ь з о в а н и е п р о м ы ш л е н н ы х р о б о т о в. Автоматизация установки заготовок и снятия обработанных деталей на токарных
станках с ЧПУ осуществляется, как правило, с использованием промышленных
роботов (или автооператоров) и специальных накопительных устройств. Промышленные роботы выполняют ряд вспомогательных операций, связанных с
перемещением заготовок и деталей, их ориентацией, поворотом и т.д. Каждый
28
Рис.1.10. Схемы смены спутников с использованием поворотных устройств:
а – с 2-х позиционным поворотным устройством; б – с 4-х позиционным
поворотным устройством; в – с однопозиционным поворотным устройством; 1 – шпиндель станка; 2 – стол станка; 3 – позиция смены спутника; 4 –
спутник с заготовкой
промышленный робот, которым оснащен станок с ЧПУ, может выполнять
29
вспомогательные операции над определенной группой деталей, имеющих
близкие геометрические формы и соотношение размеров.
Оснащение станков роботами привело к созданию роботизированных
технологических комплексов (РТК). В соответствии со стандартом РТК представляет собой совокупность единицы технологического оборудования, промышленного робота и средств оснащения, автономно функционирующую и
осуществляющую многократные циклы. Средствами оснащения РТК могут
быть устройства накопления, ориентации, поштучной выдачи заготовок и другие устройства. обеспечивающие функционирование РТК.
Промышленный робот в составе РТК выполняет разгрузку-загрузку деталей с фиксированной позиции, которую обеспечивают накопительно-подающее
и другие специализированные устройства, получившие название средств околороботной механизации.
Из всего многообразия компоновок станков и роботов можно выделить
три основных вида [4-6]: РТК со встроенным роботом; РТК с портальным
расположением робота; РТК с напольным расположением робота.
Рассмотрим некоторые варианты этих компоновок. Широкое использование в токарных станках при обработке деталей типа тел вращения в качестве
накопителя получили сменные лотки. Один из них (вводной) предназначен для
подачи заготовок, другой (выводной) - для выгрузки обработанных деталей.
Лотки могут регулироваться по ширине и по углу наклона под конкретные условия обработки. При этом вместо робота могут использоваться встроенные
манипуляторы (рис.1.11).
РТК со встроенным роботом применяются преимущественно для патронной обработки деталей длиной не более 150мм.
Схема РТК со встроенным роботом показана на рис.1.12. Робот 3 закрепляется на станине токарного станка 4. Схват 5 робота оснащен двумя захватными устройствами: для заготовки и для обработанной детали. Рядом со станком расположен накопитель 1, из гнезд которого оператор станка снимает обработанные детали и устанавливает на их место заготовки. При работе РТК робот схватом 5 вынимает из гнезда 2 накопителя заготовку, укладывает на ее
место обработанную деталь и переносит заготовку в зону ожидания. По окончании обработки и остановки шпинделя 6 станка происходит выдвижение
схвата 5 к обработанной детали, захват последней схватом, разжим патрона
станка; отвод схвата от патрона путем поворота робота вокруг вертикальной
оси, поворот схвата на 180º, подвод заготовки к патрону, ее зажим и отвод робота. Затем происходит обработка заготовки детали по управляющей программе.
В это время накопитель перемещается на следующую позицию и цикл
повторяется. Схват робота - быстросменный. В случае использования робота с
одним захватным устройством вспомогательное время на смену заготовки увеличивается, что приводит к непроизводительным простоям станка.
Накопительные устройства могут иметь различные форму и конструктив30
Рис.1.11. Схема поштучной выдачи и установки заготовок в шпиндель РТК
при помощи манипулятора и накопителей горизонтального (а) и вертикального (б) исполнения
31
Рис.1.12. Схема РТК со встроенным роботом:
1 – накопитель; 2 – позиция установки заготовки и снятия детали роботом;
3 – робот; 4 – станок с ЧПУ; 5 – схваты робота; 6 – патрон станка
Рис.1.13. Схема РТК с портальным расположением робота:
1 – станок; 2 – робот; 3 – портал; 4 – накопительно-подающее устройство; 5
– кассета с обработанными деталями; 6 – кассета с заготовками; 7 - тактовый стол с кассетой
ное исполнение, но функции у них одни - хранение и поштучная выдача в ориентированном положении заготовок, прием обработанных деталей.
Для обработки заготовок деталей типа вала длиной более 150мм широ32
кое использование получили РТК с портальным расположением робота
(рис.1.13).
Робот 2 перемещается по порталу 3 между накопительно-подающим устройством 4 и станком 1. Оператор РТК укладывает заготовки рядами в гнезда
кассеты 6, которая подается затем на тактовый стол 7. Тактовый стол подает
кассету в зону действия робота и после обработки деталей в одном ряду перемещает ее на шаг, равный расстоянию между рядами. Призматический схват
робота вынимает заготовку из гнезда и укладывает на ее место обработанную
деталь. Робот чаще всего выполняют двуруким с целью сокращения вспомогательного времени и повышения производительности РТК.
Для обеспечения взятия заготовки и укладки обработанной детали в
гнездо кассеты система управления РТК предусматривает позиционноуправляемое перемещение роботом вдоль портала и позиционно-управляемое
перемещение кассеты перпендикулярно оси портала. Цикл работы робота аналогичен рассмотренному выше (рис. 1.12). Верхнее расположение робота обеспечивает свободный доступ к станку, рациональное использование производственной площади, хороший обзор рабочей зоны в процессе загрузкиразгрузки.
Недостатком такого РТК является значительное транспортное перемещение робота, что уменьшает эффективность использования РТК для деталей,
время обработки которых меньше времени цикла перемещения робота.
Напольное расположение робота (рис.1.14) может применяться в
РТК, включающих станки различных технологических групп (токарных, фрезерных, многооперационных). Цикл РТК аналогичен описанному выше
(рис.1.12 и 1.13).
При длительном машинном времени обработки заготовки детали, когда
робот значительное время будет простаивать в позиции ожидания, целесообразно создание РТК, включающего несколько единиц технологического оборудования однородных или разнородных групп. Схема одного из таких РТК для
токарной обработки валов приведена на рис.1.15.
РТК работает следующим образом. Схват 5 робота 3 вынимает из гнезда
накопителя 1 заготовку и перемещается на позицию ожидания к первому станку. По окончании обработки робот снимает обработанную деталь и устанавливает на ее место заготовку, затем поворачивает деталь на 180° и перемещается
на позицию ожидания ко второму станку. По окончании обработки на втором
станке робот снимает обработанную деталь и устанавливает на ее место заготовку, обработанную на первом станке. Затем робот перемещается к накопителю 4 и укладывает в него обработанную деталь, после этого перемещается к
накопителю 1. Далее цикл повторяется.
РТК по схеме рис.1.15 чаще всего создают для токарной обработки валов
с двух сторон. При этом во избежание простоя оборудования длительность
33
Рис.1.14. Схема РТК с напольным расположением робота:
1 – шпиндель станка; 2 – робот; 3 – накопитель; 4 – позиция стола при установке заготовки роботом; 5 – стол станка
Рис.1.15. Схема РТК, включающего 2 единицы технологического оборудования:
1 – накопитель заготовок; 2 – станки; 3 – робот; 4 – накопитель обработанных деталей; 5 – схват робота
обработки резанием на каждом станке должна быть одинаковой и достаточной
для выполнения роботом операций, связанных с установкой заготовок и снятием деталей.
34
Станки, входящие в состав РТК, должны удовлетворять следующим основным требованиям:
- автоматический зажим и разжим заготовки;
- автоматический подвод-отвод ограждения;
- наличие датчиков, фиксирующих наличие в приспособлении заготовки
или детали;
- оснащение системой ЧПУ и электроавтоматикой, обеспечивающими
диалог «станок-робот»;
- автоматическая смена инструмента;
- автоматическая уборка стружки;
- автоматический контроль износа инструмента и подналадка станка.
Промышленный робот, входящий а состав РТК, оснащается, как правило, датчиками внешней информации и может обеспечивать помимо загрузкиразгрузки станков выполнение многих операций. включая поиск деталей в накопителе, измерение обработанных деталей или заготовок, отбраковку заготовок, межстаночное транспортирование и складирование деталей.
Технологические процессы обработки заготовок деталей на РТК должны
предусматривать:
- использование принципа групповой технологии, состоящего в том, что
каждая заготовка деталей, подлежащая обработке на РТК, включается в одну из
групп однородных деталей. Группирование производится как по технологическим, так и по конструктивным признакам, т.к. общность технологических признаков деталей в одной группе необходима для возможности применения унифицированных приспособлений и инструментальных наладок станка, а общность конструктивных признаков - для унифицированных захватных устройств
промышленного робота;
- максимальную концентрацию переходов, интенсификацию режимов
резания;
- минимальные затраты времени на смену инструмента, холостые перемещения исполнительных органов станка;
- предварительную отработку всех технологических решений, включая
обеспечение требуемой точности, испытание предельных режимов резания и
стойкости инструмента, формирование и отвод стружки и др.
РТК используется для обработки деталей, размер партий запуска которых
составляет около 100 штук и более, а также малых партий, но с относительно
большой трудоемкостью обработки, обеспечивающей работу РТК без переналадки в течение не менее одной смены.
1.3.2. С м е н а р е ж у щ е г о и н с т р у м е н т а.
Уменьшение количества операций механической обработки за счет концентрации технологических переходов при обработке на станках с ЧПУ и снижение на этой основе затрат времени на межоперационное транспортирование,
35
установку заготовок и снятие деталей возможно лишь при использовании режущего инструмента широкой номенклатуры и автоматизации его смены.
Автоматизация смены инструмента в станках с ЧПУ осуществляется
двумя путями:
- использованием револьверных головок;
- использованием магазинов инструментов.
Револьверная головка может содержать от 6 до 16 инструментов и используется, в основном, в станках с ЧПУ токарной и сверлильной групп. В револьверных головках токарных станков размещаются резцы (резцовые блоки) и
осевой режущий инструмент. Смена инструмента осуществляется за счет автоматического поворота револьверной головки на заданную в управляющей программе позицию. Достоинством револьверных головок является:
- простота конструкции и высокая надежность в работе;
- малое время смены инструмента (3-5 с).
К недостаткам револьверных головок следует отнести:
- малую емкость, что ограничивает технологические возможности станков;
- значительные габариты, снижающие эффективность использования рабочего пространства станка и приводящие к увеличению габаритных размеров
оборудования.
Магазины инструментов устанавливают не только на многооперационных станках типа «обрабатывающий центр», но и на таких традиционно одноинструментальных станках, как консольно-фрезерные, координатно-расточные
и др. Оснащение металлорежущих станков магазинами инструментов предусматривает использование устройств автоматического поиска инструмента, перемещения его из гнезда магазина на позицию к шпинделю станка (совмещенного во времени с обработкой заготовки) и автоматической смены инструмента
в шпинделе станка. Совмещение во времени вспомогательных перемещений с
машинным временем работы станка позволяет довести время смены инструмента (от стружки до стружки) до 3 - 10 с.
В шпинделях станков, оснащаемых магазинами инструментов, устанавливаются механизмы автоматической ориентации шпинделя по углу и автоматического зажима-разжима инструмента.
К конструкциям магазинов инструментов предъявляются следующие основные эксплуатационные требования:
- транспортирование очередного инструмента в зону, удобную для установки в шпиндель;
- удобство загрузки магазина инструментами;
- предохранение инструментальных оправок от попадания стружки и
36
Рис.1.16. Конструктивное исполнение инструментальных магазинов барабанного типа в обрабатывающих центрах: а – с вертикальной и б – с горизонтальной осью вращения барабана; 1 – инструментальный магазин; 2 –
шпиндель станка; 3 – автооператор
37
Рис.1.17. Конструктивное исполнение обрабатывающих центров со встроенными цепными магазинами:
а – горизонтального типа; б – вертикального типа; 1 – инструментальный
магазин; 2 – шпиндель станка; 3 – автооператор
других загрязнений.
По конструктивному исполнению магазины инструментов подразделяются на барабанные и цепные, встроенные и отдельно расположенные.
Магазины барабанного типа по достоинствам и недостаткам можно уподобить револьверным головкам. Их обычно располагают на боковых поверхно38
стях колонн или на шпиндельной бабке станка (рис.1.16). Это упрощает механизм подачи инструмента из магазина в шпиндель и сокращает время на перемещение шпинделя в позицию смены инструмента.
Цепные магазины располагают либо на колонне станка (рис.1.17), либо
отдельно от него. Инструмент в магазинах размещается вместе с инструментальными оправками. При установке инструмента в магазин происходит его
ориентация по углу.
Емкость магазина может быть от 12 до 300 инструментов. Однако оптимальной для автономного магазина считается вместимость на 60-100 инструментов. Увеличение числа инструментальных гнезд магазина ограничено возможностями конструктивного исполнения станков. С увеличением емкости магазина инструментов растут металлоемкость и габариты станка, а, следовательно, увеличивается его стоимость. снижается скорость перемещения цепи и возрастает время поиска инструмента.
Для перегрузки инструментальных оправок из магазина в шпиндель и из
шпинделя в магазин используют специальные механизмы – автооператоры
(рис.1.16 и рис.1.17). Схема работы автооператора является общепринятой для
большинства станков, а его конструкция - наиболее отработанной. В станках с
отдельно расположенными цепными магазинами для транспортирования инструмента к шпинделю используются специальные автоматические тележки, которые подают заданный управляющей программой инструмент на позицию
ожидания во время обработки заготовок деталей.
Поиск в магазине инструмента, указанного в управляющей программе
обработки, может осуществляться двумя путями:
- кодирование номера позиции гнезда магазина;
- кодирование инструментальной оправки.
При кодировании номера позиции гнезда магазина инструментов движение его барабана или цепи кинематически связано с датчиком, контролирующим угловое положение диска или шаг цепи. Каждый инструмент в этом
случае должен устанавливаться в строго отведенное для него гнездо, так как в
управляющей программе обработки заготовки детали указывается номер гнезда магазина инструментов.
Кодирование инструментальных оправок осуществляется с помощью кодовых колец, устанавливаемых на шейку оправки.
Каждая инструментальная оправка, устанавливаемая в магазин, несет
свой набор кодовых колец. При перемещении цепи специальный датчик считывает код, набранный на проходящей мимо него оправке. Если код оправки
совпадает с кодом, заданным в управляющей программе, то датчик дает сигнал
на остановку перемещения цепи. После выполнения обработки данным инструментом он вместе с оправкой возвращается не в прежнее гнездо магазина, а в
гнездо той оправки, которая сменяет в шпинделе этот инструмент. Таким образом, расположение оправок в гнездах магазина переменно.
Достоинством метода кодирования инструментальных оправок является
отсутствие потребности в дополнительном движении магазина для поиска
39
гнезда, а которое необходимо установить отработавший инструмент, что сокращает время смены инструмента. Однако такие недостатки, как сложность
инструментальных оправок, длительное время поиска инструмента из-за того,
что магазин вращается все время в одном направлении, невозможность использования инструмента с диаметром, превышающим величину шага между гнездами, накладывают ограничения на применение метода кодирования инструментальных оправок.
Независимо от метода кодирования и конструктивного исполнения механизмов поиск инструмента происходит во время обработки детали.
1.4. Автоматизация производственных процессов с гибко
переналаживаемой технологией механической обработки
Станки с ЧПУ позволяют автоматизировать процессы механической обработки в условиях любого типа производства. Гибкость систем с ЧПУ и возможность подключения станков к общей системе управления от одной ЭВМ
создают предпосылки использования этих станков в условиях массового производства.
Эффективность использования станков с ЧПУ достигается за счет повышения производительности обработки, снижениия затрат на технологическую оснастку, уменьшения потерь от брака, сокращения производственного цикла,
уменьшения производственных площадей, концентрации операций. В условиях
мелкосерийного и серийного производств доля машинного времени обработки
в штучном времени на универсальных станках составляет 20-40%, на станках с
ЧПУ она увеличивается до 50-70%. Точность позиционирования заготовок деталей составляет ±0,01 мм, а повторной установки ±0,0025 мм. Точность обработки на современных таких станках может достигать 7-го квалитета.
Появление станков с ЧПУ взамен универсальных с ручным управлением
позволило в несколько раз уменьшить трудоемкость изготовления деталей,
главным образом, за счет резкого сокращения затрат времени на переустановку
заготовки и на вспомогательные перемещения исполнительных органов станка.
Вместе с тем, внедрение станков с ЧПУ не решает вопроса автоматизации ряда
ручных операций, связанных с изготовлением деталей как внутри партии, так и
с переходом на обработку следующих партий заготовок. Частая переналадка
станков с ЧПУ приводит к существенным потерям фонда времени их работы.
В мелкосерийном производстве коэффициент загрузки станков с ЧПУ
составляет в среднем 0,4...0,6, а коэффициент сменности - не более 1.6 [4]. При
обработке заготовок партиями 95% времени производственного цикла они
ожидают своей очереди и только 5% времени обрабатываются на станке.
Стремление повысить отдачу от дорогостоящих станков с ЧПУ привело к
оснащению их автоматическими устройствами загрузки заготовок и удаления
обработанных деталей, увеличению числа инструментов в магазине станка, автоматизации разработки управляющих программ. Появились станки с накопителями заготовок и устройствами автоматического контроля состояния инст40
румента и подналадки операции. Эти станки позволяют осуществлять обработку заготовок деталей в течение определенного времени без участия человека.
Решению задач дальнейшей автоматизации оборудования способствовали достижения в развитии микроэлектроники и робототехники. К важнейшим
из них можно отнести:
- совершенствование систем ЧПУ, внедрение систем со встроенными
микроЭВМ (типа CNC);
- появление отработанных и надежных конструкций промышленных роботов с программным управлением;
- развитие систем комплексной автоматизации конструкторских и технологических работ.
Появились новые организационно-технические формы использования автоматизированного оборудования - гибкие производственные системы (ГПС).
Главной составляющей ГПС является высокопроизводительное технологическое оборудование с программным управлением, способное работать в автоматическом режиме без участия человека на протяжении длительного времени.
1.4.1. Г и б к и е п р о и з в о д с т в е н н ы е
модули
Основным технологическим оборудованием для ГПС является гибкий
производственный модуль (ГПМ).
Согласно ГОСТ гибкий производственный модуль представляет собой
единицу технологического оборудования для производства изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик с
программным управлением, автономно функционирующую, автоматически
осуществляющую все функции, связанные с их изготовлением, имеющую возможность встраивания в гибкую производственную систему.
Гибкие производственные модули создаются на базе многооперационных станков с ЧПУ путем автоматизации всех вспомогательных операций, связанных с изготовлением деталей а пределах партии или технологической группы деталей, с целью обеспечения работы в «безлюдном» режиме в течение определенного времени, например, в течение одной смены или
нескольких смен.
Для реализации в ГПМ идеи «безлюдной», гибко переналаживаемой технологии обработки необходимо автоматизировать следующие виды работ, которые на станках с ЧПУ выполняет, как правило, рабочий-оператор:
- загрузку заготовок на станок и снятие обработанных деталей;
- смену изношенного инструмента;
- замену станочного приспособления;
- измерение размеров обрабатываемых поверхностей и подналадка станка путем ввода коррекции на инструмент;
- контроль качества обработки и наблюдение за работой станка;
- включение начала работы станка;
- смену управляющей программы.
41
Исходя из поставленных задач ГПМ оснащают следующими системами [7]:
- накопителем заготовок для обеспечения загрузки станка в течение заданного времени:
- системой автоматической смены заготовок на станке:
- системой автоматического определения состояния режущего инструмента, подналадки или его замены;
- системой автоматического контроля и коррекции точностных параметров обрабатываемых поверхностей детали;
- библиотекой для хранения и воспроизведения нескольких десятков различных управляющих программ;
- адаптивной системой, обеспечивающей автоматическое управление
режимами обработки с учетом характера процесса резания и состояния системы станок-приспособление-инструмент-заготовка.
Для условий крупносерийного производства создаются ГПМ со сменными многошпиндельными головками,получивших название агрегатные обрабатывающие центры (АОЦ).
Использование многошпиндельных головок с различным инструментом
(сверлами, зенкерами, развертками, метчиками, расточными оправками) повышает производительность ГПМ за счет одновременной работы нескольких инструментов.
АОЦ для обработки заготовок деталей одной технологической группы
(сопрягаемые, правые и левые детали и т.п.) конструктивно выполнены в виде
многошпиндельных револьверных головок (рис.1.18), а для обработки разнотипных – с магазинами многошпиндельных головок револьверного (рис.1.19),
либо стеллажного типа (рис.1.20).
Так как многошпиндельные головки являются специальной оснасткой, их
использование должно быть экономически обосновано.
Для условий серийного производства ГПМ оснащаются двумя инструментальными магазинами - для одиночного режущего инструмента и для сменных многошпиндельных головок. Смена многошпиндельных головок осуществляется в автоматическом режиме.
Н а к о п л е н и е з а г о т о в о к и и х з а м е н а н а Г П М. Задача автоматизации установки заготовок на станки и снятия обработанных деталей решается комплексно при разработке систем накопления и
42
Рис.1.18. Конструктивное исполнение АОЦ с многошпиндельными головками револьверного типа:
1 – многошпиндельные головки; 2 – сменный поворотный стол; 3 – револьверная головка
43
Рис.1.19. Конструктивное исполнение АОЦ со сменными ошпиндельными головками и револьверными магазинами: а – вертикального
типа; б – горизонтального типа; 1 – многошпиндельные головки;
2 – рабочая позиция инструментов; 3 – магазины головок
44
Рис.1.20. Конструктивное исполнение АОЦ со сменными многошпиндельными головками:
1 – накопитель заготовок; 2 – система автоматической загрузки заготовок;
3 – шпиндельный узел; 4 – система автоматической смены многошпиндельных головок; 5 – магазин многошпиндельных головок
45
Рис.1.21. Схемы транспортно-накопительных систем: а – замкнутого
типа; б – разомкнутого типа; 1 – поддоны с заготовками; 2 – механизм смены паллет; 3 – стол станка; 4 – тележка-оператор
транспортирования заготовок. Наибольшее распространение получили структуры транспортно-накопительных систем 2-х видов: замкнутые и разомкнутые.
З а м к н у т ы е транспортно-накопительные системы работают в режиме автоматической подачи поддонов с заготовками по заранее заданному
порядку (с позиции на позицию). Однако имеется возможность оперативно направлять желаемый поддон в зону смены заготовки. Для этого на позиции закрепления заготовки следует набрать код соответствующего поддона. Наиболее оптимальной является овальная конфигурация накопителя (рис.1.21а).
Передача заготовок из овального накопителя в рабочее пространство может осуществляться непосредственно, либо через промежуточный механизм
смены паллет 2. Решение о виде конструктивного исполнения механизма передачи заготовок принимается в зависимости от времени цикла работы ГПМ, ко46
торое должно максимально перекрывать время смены заготовок.
Р а з о м к н у т а я транспортно-накопительная система имеет, как правило, линейную конфигурацию и представляет собой выставленных в ряд набор стоек 1 (рис.1.21б). Передача заготовок на поддонах к станку осуществляется автоматически движущейся по направляющим 4 тележкой-оператором 5
по заранее заданной программе независимо от порядкового номера поддона.
Выбор вида конструктивного исполнения накопителя – овальный или
линейный – зависит от количества поддонов, необходимых для обеспечения
«безлюдной” работы оборудования в течении не менее одной смены. Транспортно-накопительные системы используются для реализации следующих организационных форм обработки заготовок деталей на ГПМ:
- обработка по партиям;
- обработка по группам заготовок.
Обработка по партиям предполагает наличие определенного задела заготовок одного наименования, требует наличия нескольких одинаковых приспособлений и увеличивает объем незавершенного производства.
Обработка по группам заготовок требует одного приспособления для каждого вида заготовок, сокращает продолжительность пребывания заготовок на
производстве. Однако при этом необходимо использование более широкой номенклатуры режущего инструмента, что иногда может ограничиваться емкостью инструментальных магазинов. Поэтому организационная форма обработки по группам заготовок особенно экономически выгодна при обработке групп
деталей, входящих в состав одного сборочного узла, например, верхняя и нижняя части коробок передач автомобилей, правые и левые детали и т.п.
Рассмотренные виды транспортно-накопительных систем используются в
ГПМ на базе как обрабатывающих центров, так и на базе токарных станков с
ЧПУ, оснащенных роботами (рис.1.22).
А в т о м а т и ч е с к и й к о н т р о л ь с о с т о я н и я р е ж ущ е г о и н с т р у м е н т а.Целью создания системы такого контроля являются автоматическое определение фактического состояния режущего инструмента при его работе на ГПМ и автоматическая замена при потере инструментом заданных режущих свойств.
Каждый инструмент имеет свой ресурс работы от переточки до переточки, называемый стойкостью инструмента. Стойкость инструмента определяется временем непосредственной работы инструмента на станке, начиная с момента его установки
k
T = ∑ ni ⋅ t i ,
(1.6)
i =1
где ti - время резания при выполнении инструментом i-го перехода;
ni - количество переходов.
Определение фактической режущей способности инструмента на ГПМ
определяется одним из трех способов:
- расчетом и планированием периода стойкости инструмента;
- измерением величины износа инструмента;
47
- измерением сил резания или уровня вибраций.
Способ планирования периода стойкости инструмента
является
наиболее простым и легко реализуемым. Сущность его состоит в том. что расчетный период стойкости программируется, и, по мере вступления инструмента в работу, рассчитывается время его контакта с заготовкой детали. Расчет
производится по заданным в управляющей программе величине минутной подачи и величине рабочего хода инструмента. Система управления все время
вычитает из запрограммированного периода стойкости каждого в отдельности
инструмента время его фактической работы. Если сумма времени контакта инструмента с заготовкой детали равна запрограммированному периоду стойкости, то система управления подает сигнал на подналадку или смену инструмента (рис.1.23).
Этот способ характеризуется простотой реализации и низкими затратами.
Однако при таком способе инструмент нельзя использовать оптимально, так
как его фактическая стойкость может изменяться в широких пределах из-за колебания твердости, структуры металла резца и заготовки, неоднородности состава, наличия инородных включений и др. В реальных условиях процесс резания носит нестационарный характер и фактическая стойкость инструмента, как
показывает практика, может отличаться от запрограммированной в 1,5...3 раза.
Способ планирования стойкости инструмента из-за указанного недостатка пригоден преимущественно для использования при чистовой обработке.
Способ измерения величины износа инструмента основан на использовании технологического критерия, позволяющего оценить состояние режущего инструмента с позиции получаемых параметров точности детали. Согласно этому критерию инструмент требует поднастройки или замены, если в результате его износа не обеспечиваются требуемые размеры детали или шероховатость поверхности в заданных пределах,
Δ < ΔА < Δ ,
Δ , Δ – допустимые верхнее и нижнее предельные отклонения;
Н
где
В
А
В
А
Н
А
А
48
Рис.1.22. Примеры конструктивного исполнения гибких производственных
модулей токарной обработки со встроенным (а) и портальным (б) роботами
ли.
Δ А – фактическое отклонение параметра точности поверхности дета-
Возможно непосредственное и косвенное измерение величины износа
режущей кромки. При н е п о с р е д с т в е н н о м измерении определяется
положение режущей кромки относительно выбранной точки отсчета (вершина
резца, ширина ленточки и др.). По измеренной величине износа проводится
коррекция фактического положения режущей кромки инструмента относительно обрабатываемой поверхности..
К о с в е н н о е измерение основано на измерении фактических разме-
49
Рис.1.23. Схема подналадки ГПМ при обработке одним из инструментов:
∆ ВА , ∆ НА
∆ ВВН , ∆ ННННН
Н
- допустимое верхнее и нижнее предельное отклонение;
- настроечное верхнее и нижнее предельное отклонение
Н
ров обрабатываемой заготовки детали, по которым рассчитывается величина
износа инструмента. Наиболее распространенными средствами контроля точности поверхностей деталей являются датчики касания, устанавливаемые на
неподвижных частях станка или на схвате робота. Перед снятием детали щуповая головка датчика измеряет фактический размер. По результатам замера подсчитывается сумма величин коррекции инструмента и, по достижении запрограммированной величины коррекции, выдается сигнал на ввод коррекции положения инструмента или на его замену.
Достоинством способа измерения величины износа инструмента является
его надежность в определении состояния инструмента, так как в программу закладывают непосредственно допустимую величину его износа. Однако системы реализации этого способа сложны и требуют соответствующего обслуживания.
На ГПМ в отличие от большинства станков с ЧПУ, где функции замера
обработанных поверхностей деталей и ввода коррекции выполняет рабочийоператор, система активного контроля выполняет следующие функции:
- замер изделия или инструмента;
- расчет коррекции инструмента;
- ввод величины коррекции в память устройства ЧПУ.
50
Способ измерения сил резания или уровня вибраций основан на косвенном измерении величин деформации под действием усилий или ускорений
[8]. По мере затупления инструмента увеличиваются сипы резания. Окончание
периода стойкости инструмента характеризуется увеличением силы резания до
определенной величины. При этом способе используется особенность процесса
резания, характеризующаяся тем, что, например, при чистовой обточке с подачей менее 0,1 мм/об разброс значений силы резания составляет лишь 10% и
с увеличением подачи быстро уменьшается. В связи с этим имеется возможность выявлять степень износа, выкрашивание режущего инструмента и влияние других факторов, которые изменяют усилие резания. Измерение сил в процессе резания и сравнивание их с силами при работе острым инструментом позволяют определить относительное приращение нагрузки на инструмент, а,
следовательно, и степень затупления инструмента по мере его работы.
Для измерения сил резания используются различные по конструкции динамометрические узлы, динамометрические столы и опоры.
Наиболее простым способом измерения усилий, при котором не требуется конструктивного изменения узлов станка, является измерение мощности
главного привода и двигателей по каждой из управляемых координат станка.
Получение одновременной информации с электродвигателей и оценка ее с помощью встроенной в ГПМ микроЭВМ позволяют судить о составляющих силы
резания при обработке различным инструментом (фрезами, резцами, сверлами
и др.). Однако этот способ неприемлем при чистовой обработке, так как в этом
случае мощность на преодоление сил трения и инерции в узлах привода станка
соизмерима с мощностью резания.
Для измерения усилий резания или колебаний широко используют активные пьезоэлектрические датчики. Датчики могут устанавливаться в шпиндельном узле, на валу привода шариковой винтовой пары и т.п.
Автоматическая замена изношенного инструмента (или поломанного)
выполняется различными способами.
Наиболее простой и распространенный способ - использование магазина
инструментов станка такой емкости, чтобы инструмента хватило для обеспечения работы ГПМ в «безлюдном» режиме в течение 2-3 смен. В этом случае в
магазине инструмента или револьверной головке размещаются дублеры быстроизнашиваемого инструмента и запасной инструмент. После выработки ресурса инструмента по программе вводится в работу инструмент-аналог, размещенный в другом гнезде этого же магазина. Высокая надежность этого способа
определила его широкое использование на всех видах ГПМ.
Второй способ замены изношенного инструмента - использование сменных магазинов с установленными в них настроенными на размер инструментами. В этом случае предпочтителен такой подбор инструмента для обработки и
такое распределение операционных переходов, при которых ресурс работы каждого инструмента обеспечивал бы обработку одинакового количества заготовок деталей. Для смены магазинов используются специальные автоматически
действующие устройства.
51
В ГПМ токарной группы наиболее широко распространен способ замены
резцовых блоков, головок резцов, режущих пластин. Для обеспечения автоматической смены инструмента по этому способу требуется применение резцов и
резцовых блоков специальной конструкции (рис.1.24, 1.25), а также системы
смены инструмента, состоящей из инструментального магазина, автооператора,
устройства зажима-разжима резцедержавки. Инструментальный магазин и автооператор устанавливаются обычно на продольной каретке суппорта и перемещаются вместе с ней по оси Z. Устройство зажима резцедержавки располагают на поперечной каретке суппорта, перемещающейся по осям X и Z.
Для автоматической смены пластин из твердого сплава требуются сложные устройства, поэтому этот способ не получил широкого применения.
Для зажима-разжима резцедержавок и резцовых головок разработаны
специальные винтоверты и гидрозажимные устройства, действующие автоматически по программе.
Перед установкой инструмента в магазин проводят его предварительную
настройку на размер на специальных приборах размерной настройки. На ГПМ
токарной группы в последнее время стали проводить настройку инструмента
на размер на самом станке. При этом используется метод автоматического расчета, допускающий произвольную установку инструмента. Инструмент устанавливается и закрепляется в заданных позициях, затем при помощи маховичка
генератора импульсов вершина инструмента подводится под перекрестие оптического устройства, представляющего собой неподвижную точку координатной системы станка. Координаты перекрестия оптического устройства введены в систему управления станком (поэтому установочные размеры инструмента, подведенного в перекрестие, рассчитываются автоматически) и после
включения станка поступают в запоминающее устройство. Информация, хранящаяся в запоминающем устройстве, используется для расчета траектории
режущей кромки или перемещения инструментального суппорта при вызове
любой программы из архива программ. Точная установка инструмента обеспечивается
52
Рис.1.24. Фотографии резцовых блоков и схема их закрепления в устройствах для автоматической смены инструмента
Рис.1.25. Вариант конструктивного исполнения автоматически сменяемой
резцовой державки:
1, 3, 6 – поверхности захвата роботом; 2 – резцовая головка; 4 – схваты робота; 5 – хвостовик для крепления
путем ввода коррекции на размер.
А в т о м а т и ч е с к и й к о н т р о л ь к а ч е с т в а о б р а б о т к и.
Организация «безлюдной» технологии требует оснащения ГПМ системами автоматизированного контроля качества обработки и подналадки режимов
или режущего инструмента.
Это позволяет:
- реализовать необходимую точность обработки с учетом состояния системы ”станок-приспособление-инструмент-деталь”;
- получить информацию о точности установки заготовки на станке, о
точности установки режущего инструмента и его размерном износе;
- осуществить автоматический контроль поверхности заготовки детали
непосредственно на станке, и по результатам измерения ввести соответствующую коррекцию величины износа инструмента;
53
- определить фактические размеры заготовки с целью автоматического
расчета соответствующих режимов обработки.
Широкое распространение получили системы автоматического измерения и коррекции, включающие специальные измерительные устройства, смонтированные в инструментальной оправке, которая помещается в магазин инструмента.
В ГПМ, оснащенных промышленными роботами для установки заготовок и снятия деталей, контроль размера обработанной поверхности целесообразно осуществлять измерительным щупом, установленным непосредственно
на схвате робота. Если фактический размер выходит за пределы допустимого,
деталь отбраковывается и поступает сигнал на подналадку инструмента. При
измерении отверстий щуп устройства касается последовательно двух противоположных сторон отверстия. Измеряемый размер отверстия соответствует величине перемещения щупа между двумя точками касания.
Система автоматического измерения сравнивает фактический диаметр
обработанного отверстия с программно заданным и выдает команду на продолжение обработки, на повторную обработку с коррекцией или подает сигнал
о браке. Аналогичным образом производится измерение других видов поверхностей.
Команда на осуществление контроля включается в управляющую программу обработки. Можно осуществлять контроль как по окончании обработки, так и после предварительной обработки или непосредственно перед выполнением чистовой обработки поверхности. На основе результатов измерения
фактической точности предшествующего перехода в размеры настройки инструмента, заданные в программе для последующих переходов, вводится необходимая коррекция. Такой подход к построению систем автоматизации контроля
качества обработки гарантирует получение требуемой точности поверхности
обработки.
На период работы системы автоматизированного контроля гибкий производственный модуль превращается из обрабатывающего комплекса в измерительный и продукцию не производит. Поэтому при создании гибких производств, состоящих из нескольких ГПМ, наблюдается тенденция развития систем автоматизированного контроля качества обработки вне станка. С этой целью используют специальные измерительные машины, отличающиеся более
высокой точностью измерения и быстродействием по сравнению с измерением
на станке.
Вопросы построения и функционирования систем автоматического контроля качества обработки в гибких автоматизированных производствах подробно изложены в специальной литературе [9].
А д а п т и в н о е у п р а в л е н и е п р о ц е с с о м о б р а б о т к и.
Под адаптивным управлением ГПМ понимается управление исполнительным
устройством модуля с автоматическим изменением управляющей программы в
функции от контролируемых параметров состояния внешних факторов.
При формообразовании поверхностей деталей на оборудовании с число54
вым программным управлением описание геометрии заготовки увязывают с
координатной системой станка. Получаемые в результате обработки размеры
представляют собой замыкающие звенья технологических размерных цепей
системы ”станок-приспособление-инструмент-деталь”. В процессе резания в
системе происходят силовые и тепловые явления, влияние которых на точность
обработки проявляется через размерные связи. В результате нарушается относительное положение заготовки детали и инструмента, заданное при статической настройке. Для создания возможности компенсации этого отклонения необходимо иметь информацию о его величине и направлении в каждый момент
времени обработки. Имея такую информацию, можно осуществлять поднастройку статического положения инструмента программным путем. Например,
при обточке нежесткого вала можно в процессе обработки измерять величину
деформации в системе ”станок-приспособление-инструмент-деталь” путем
непрерывного замера диаметра заготовки детали. Если полученную информацию преобразовывать в электрические сигналы и сравнивать их с заданными
программой обработки, то величину деформации заготовки детали в каждом
сечении по длине можно компенсировать путем смещения статически настроенного положения резца относительно оси вращения заготовки. Таким образом
компенсируется погрешность обработки, вносимая динамической податливостью системы ”станок-приспособление-инструмент-деталь”.
Адаптивное управление процессом обработки позволяет решать и другие
задачи, связанные с воздействием на процесс обработки с учетом влияния случайных факторов. К числу таких задач относится оптимизация обработки путем контроля и поддержания в заданных пределах параметров процесса резания (силы резания, крутящего момента, температуры, скорости резания и др.) и
автоматического адекватного изменения режимов. Например, при выполнении
операций сверления значительную часть рабочего хода инструмента составляет
величина врезания сверла в материал (при сверлении листовых материалов эта
величина может составлять 50% и более). Так как при врезании сверла ширина
среза меньше расчетной, возможности инструмента в этом случае полностью
не используются. В результате имеет место потеря производительности. С целью оптимизации процесса резания и повышения производительности обработки контролируют величину крутящего момента на шпинделе станка и, при
отклонении ее от заданной изменяют осевую подачу сверла. Такое управление
позволяет учитывать такие факторы, как затупление инструмента, твердость
поверхности заготовки и др.
Информация о величине крутящего момента может быть получена непосредственно со шпинделя станка или с одного из валов коробки скоростей с
помощью тензометрических датчиков.
Аналогично может контролироваться мощность привода. Оснащение
станка адаптивной системой с получением информации по мощности позволяет получить оптимальное использование мощности привода.
Несмотря на различия в назначении и конструктивном исполнении адаптивных систем управления принцип их работы можно представить в виде
55
функциональной схемы, приведенной на рис.1.26.
Задающее
устройство
Устройство
сравнения
Исполнительный
орган
Усилитель
Датчик
Рис.1.26. Функциональная схема адаптивной системы управления
Как правило, система адаптивного управления характеризуется наличием
трех потоков информации:
- от задающего устройства;
- от датчика обратной связи;
- от устройства сравнения.
Датчик измеряет действительную текущую величину контролируемого
параметра технологического процесса и вырабатывает соответствующий сигнал, поступающий в устройство сравнения. При расхождении этого сигнала с
сигналом, поступающим от задающего устройства, на выходе устройства сравнения появляется сигнал рассогласования, который, воздействуя на исполнительный орган, обеспечивает поддержание контролируемого параметра в заданных пределах.
Д и а г н о с т и к а с о с т о я н и я о б о р у д о в а н и я. Оценка
надежности станочных систем, к числу которых относятся гибкие производственные модули, производится лишь по тем отказам, которые приводят к выходу из строя всей станочной системы, т.е. не учитываются отказы тех узлов, которые резервируются в системе. Вероятность безотказной работы такой системы в течение времени t равна
n
P ( t ) = ∏ Pi ( t ) ,
(1.7)
i=1
где Pi(t) - вероятность безотказной работы i-го элемента;
n - число элементов в системе.
Из (1.7) следует, что для повышения надежности ГПМ необходимо
стремиться к уменьшению количества входящих в него элементов, широко используя при этом принцип унификации и агрегатирования.
Другим направлением повышения надежности ГПМ, решаемым на этапе
конструирования, является применение систем технической диагностики.
Создание ГПМ выдвинуло определенные требования к системе управления. Задачи, которые должна решать система управления ГПМ, можно разделить на две группы [10]:
- обеспечение автоматического взаимоувязанного управления всем обо56
рудованием, входящим в состав ГПМ;
- обеспечение надежной и эффективной эксплуатации ГПМ.
Задачи первой группы решаются на этапе проектирования системы
управления и включают реализацию в автоматическом режиме определенного
перечня функций ЧПУ.
Задачи второй группы решаются на основе дополнительной информации,
получаемой в процессе работы системы с помощью измерительнопреобразовательных устройств, входящих в состав ГПМ.
В системах управления ГПМ необходима реализация самонастраивающихся (адаптивных) режимов на основе использования текущей информации о
процессе обработки и оперативного принятия решения.
В обеспечении надежности работы оборудования и его эффективной эксплуатации особое место отводится технической диагностике.
Техническая диагностика - это процесс определения технического состояния какого-либо объекта, например, технологического.
Основные задачи систем технического диагностирования:
- проверка исправности станка или робота на стадии его производства
или ремонта;
- проверка работоспособности объекта (оценка возможности выполнения
заданных функций при его эксплуатации);
- поиск неисправностей с указанием места и возможных причин их возникновения при наладке объекта и в процессе его эксплуатации.
Дополнительные задачи, решаемые системами технического диагностирования:
- прогнозирование состояния системы и определение ее ресурса или назначение периодичности обслуживания и ремонта;
- управление по результатам диагностирования активным воздействием
на объект, а также на условия производства, эксплуатации и обслуживания.
Процесс технического диагностирования классифицируется:
а) по способу диагностирования - функциональное (при воздействии на
объект только со стороны рабочего процесса при наиболее характерном режиме) и тестовое (при подаче на объект специально организуемых воздействий от
средств диагностирования);
б) по объему диагностирования - полное (для всего объекта) и частичное
(для отдельных элементов объекта);
в) по глубине диагностирования - общее (для объекта), узловое (для сборочных единиц) и детальное (для отдельных элементов);
г) по характеру процесса диагностирования - непрерывное и периодическое.
ГПМ представляет собой сложный объект диагностирования, в состав
которого входят устройства с непрерывно и с дискретно изменяющимися параметрами. Необходимым условием для технического диагностирования ГПМ
является идентификация его динамической системы - виброустойчивости, быстродействия, плавности хода и др. Следовательно, требуется разработка физи57
ческой модели динамической системы ГПМ, которая дает описание в аналитической, табличной или другой форме характеристик системы в процессе ее
функционирования в исправном и неисправном состояниях, а также диапазонов допустимых изменений контролируемых параметров без потери работоспособности ГПМ. Например, построение системы технического диагностирования может основываться на контроле таких характеристик динамической
системы ГПМ, как вибрации, температурные деформации, точность или плавность перемещения исполнительных органов и др.
Опыт эксплуатации автоматизированных комплексов из станков с ЧПУ
показывает, что около 30% технических простоев вызваны неисправностями
устройств ЧПУ; 20% - неисправностями механических узлов; 10% - неисправностями гидравлических и др. систем. Исходя из этого, системы технического диагностирования целесообразно создавать, прежде всего, для устройств
ЧПУ и автоматики, а затем - для механических узлов станка.
В составе систем технического диагностирования ГПМ можно выделить
пять подсистем:
- контроля готовности оборудования к работе;
- оперативной цикловой диагностики;
- оперативной узловой диагностики;
- специальной диагностики;
- диагностики по результатам обработки.
Подсистема контроля готовности оборудования к работе осуществляет
сбор. обработку и передачу информации о выходе в исходное положение исполнительных органов ГПМ, снятии блокировок, достижении заданных температурных режимов и т.п. Диагностическая информация поступает на панель
оператора или специальный индикатор неисправностей, а в случае недопустимых величин контролируемых параметров блокирует цикл работы станка. Развитые подсистемы включают в себя большое число встроенных диагностических средств для электромеханических и электронных устройств, контролирующих такие параметры, как сопротивление изоляции, контактное сопротивление пускателей и реле, ток короткого замыкания в катушках, давление рабочей жидкости в гидросистеме, перепады температур и др. Оценка контролируемых параметров производится путем сравнения с допустимыми величинами.
Подсистема оперативной цикловой диагностики осуществляет контроль
фактического времени выполнения рабочих и вспомогательных циклов. В основе работы подсистемы лежат физические процессы изменения состояния
(например, процессы изнашивания поверхностей деталей оборудования), непосредственно связанные с временным фактором. Характеристики контролируемых процессов обычно определяются экспериментально.
Измеряемые при работе ГПМ фактическое время работы по управляющей программе и время работы совмещенных с ним вспомогательных циклов
сравниваются с соответствующими величинами, рассчитываемыми заранее. В
зависимости от степени рассогласования производится необходимая обработка
58
поступающей информации с целью локализации причин и указания места возможных неисправностей. Информация об ошибках выдается на пульт оператора с указанием действий по их устранению. Например, при диагностировании
степени износа и поломки инструмента контролируется предельный момент
резания. При достижении критических моментов резания для изношенного или
поломанного инструмента подсистема оперативной цикловой диагностики
прерывает цикл обработки и подает команду на автоматическую смену инструмента. В случае обнаружения износа инструмента цикл обработки детали
доводится до конца, затем подается команда на замену данного инструмента.
Учитывая, что критические моменты резания изношенного и поломанного инструмента имеют разные значения различных типоразмеров, в качестве
критериев оценки состояния инструмента целесообразно использовать коэффициенты, представляющие собой отношение величин критических моментов
резания к величине номинального момента резания. Это позволяет проектировать подсистему технического диагностирования инструмента, которая является инвариантной по отношению к разным типоразмерам инструментов и изменяющимся условиям резания.
Подсистема оперативной узловой диагностики осуществляет контроль
правильности функционирования отдельных узлов ГПМ и блоков системы
ЧПУ, а также поиск их неисправностей, когда возможности предыдущих подсистем исчерпаны с точки зрения глубины диагностирования. Объектами диагностирования являются отдельные сборочные единицы, средствами - тестпрограммы, имеющиеся в процессорных устройствах ЧПУ. При этом, по команде с диагностического пульта станка, коммутатор подключает неисправный
узел к подсистеме, которая опрашивает состояние контрольных точек при действии тестовых сигналов. По результатам сравнения заданных
^действительных сигналов методом логического анализа выявляются причины
и место неисправностей, которые вместе с рекомендациями по их устранению
выводятся на экран дисплея устройства ЧПУ.
При отказе устройства ЧПУ аналогичным образом осуществляется его
самодиагностика с помощью тест-программ для отдельных блоков ЧПУ.
Подсистема специальной диагностики выполняет более сложные операции и включается в работу, когда предыдущие подсистемы не обеспечили
нужную глубину диагностирования. Примером использования подсистем диагностики специальными методами и на основании измерений обрабатываемых
заготовок деталей является прогнозирование остаточного ресурса ГПМ и его
отдельных узлов, изменение диагностических параметров которых носит плавный характер.
Взаимодействие рассмотренных подсистем происходит в соответствии с
алгоритмом, приведенным на рис.1.27 для технической диагностики станков с
ЧПУ.
Для реализации перечисленных подсистем диагностики используются
следующие виды технических средств:
- первичные измерительные преобразователи (датчики) для сбора ин59
формации о текущем состоянии отдельных элементов ГПМ;
- устройства для обработки и анализа информации в соответствии с заданными алгоритмами (преобразователи, приборы, вычислительные устройства);
- устройства для воздействия на диагностируемый объект или для оповещения оператора ГПМ о необходимых действиях при текущем состоянии
объекта.
Современные устройства ЧПУ типа CNC со встроенной микроЭВМ, которыми оснащаются ГПМ, имеют развитые диагностические функции, обеспечивающие:
- хранение в памяти алгоритмов обнаружения ошибок программирования, ввода данных и обслуживания отдельных узлов ГПМ;
- вывод на экран дисплея признаков обнаруженных неисправностей и
возможных причин их появления;
- запоминание в оперативной памяти информации о допустимых величинах контролируемых параметров, фиксация их текущих значений и вывод на
экран дисплея места и причин выхода за допустимые границы;
- контроль функционирования автоматики станка с помощью специального микропроцессорного блока;
- контроль функционирования отдельных блоков системы ЧПУ, осуществляемый с помощью специальных тестов;
- обработку и передачу информации о состоянии ГПМ в локальную (цеховую) сеть или по электронной почте.
Система технической диагностики ГПМ предусматривает две основные
группы средств:
60
Рис.1.27. Общий алгоритм работы системы технической диагностики станка с
ЧПУ
- встроенные, постоянно действующие;
- внешние, подключаемые только при необходимости углубления диагностирования.
Встроенные диагностические средства в процессе работы ГПМ осуществляют непрерывный контроль устройства ЧПУ с выявлением мест и причин
неисправностей.
Технико-экономическая эффективность систем технической диагностики
определяется повышением коэффициента использования оборудования за счет
повышения надежности при эксплуатации
Kи =
1
n
1 + ∑ λi ⋅ Tвi
(1.8)
,
i=1
где λi - интенсивность отказов для i-го элемента;
Твi - среднее время восстановления для i-го элемента;
61
n - число элементов, подверженных отказам.
Использование развитых систем технической диагностики позволяет
уменьшить удельную длительность восстановления (время, затрачиваемое на
обнаружение, поиск причины и устранение последствий отказов, приходящееся на единицу времени безотказной работы) в 2,5...3 раза.
1.4.2. Г и б к и е п р о и з в о д с т в е н н ы е с и с т е м ы
П р и н ц и п ы с о з д а н и я. Достижения в развитии микроэлектроники открыли принципиально новые возможности для осуществления высокоэффективной автоматизации процессов механической обработки в непоточных
многономенклатурных производствах. Реализация этих возможностей нашла
отражение в создании высокопроизводительного технологического оборудования с числовым программным управлением, и на его базе - гибких производственных систем (ГПС), являющихся основой создания автоматических цехов и
предприятий.
Под ГПС (в соответствии с ГОСТ) понимают совокупность в разных сочетаниях оборудования с ЧПУ, роботизированных технологических комплексов, 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.
В отличие от автоматических линий с жесткой связью (рис.1.28а), у которых цикл обработки заготовок деталей включает последовательную их передачу от станка к станку в соответствии с заданным тактом, в ГПС отсутствует
понятие такта обработки, а заготовки имеют возможность произвольного во
времени перемещения по позициям обработки в соответствии с заданной программой.
62
Рис.1.28. Схемы станочных линий:
а – автоматической линии с гибкой связью; б – гибкого производственного
участка; в – гибкой производственной линии; 1 – металлообрабатывающее
оборудование; 2 – транспортная система; 3 – спутники; 4 – позиция загрузки-разгрузки; 5 – накопитель заготовок; 6 – механизм смены паллет; 7 –
позиция контроля и переналадки; 8 – центральный пульт управления
По организационным признакам ГПС классифицируются [11] на:
- гибкие автоматизированные участки (ГАУ), функционирующие по
технологическому маршруту, в котором предусмотрена возможность изменения
последовательности
использования
технологического
оборудования
(рис.1.28б);
- гибкие автоматизированные линии (ГАЛ), в которых технологическое
оборудование расположено в принятой последовательности технологических
операций (рис.1.28в);
- гибкие автоматизированные цехи (ГАЦ), представляющие собой в различных сочетаниях совокупность гибких автоматизированных линий, роботизированных технологических комплексов, гибких автоматизированных участков, роботизированных технологических участков для изготовления изделий
заданной номенклатуры.
Отечественный и зарубежный опыт [4,12] показывает, что наиболее эф63
фективной областью использования ГПС являются мелко- и среднесерийное
производства, в которых преимущественно используют ГАУ. В крупносерийном и массовом производствах – целесообразно использовать ГАЛ.
При оценке эффективности использования ГПС необходимо учитывать
особенность, обусловленную необходимостью удовлетворения двух противоречивых требований:
- высокой производительности, свойственной автоматическим линиям;
- гибкости производства, характерной для станков с ЧПУ.
Рассмотрим структуру ГПС на примере ГАУ.
Анализ [13] назначения, структуры и уровня автоматизации ГАУ, действующих в настоящее время в производстве, позволяет представить их типовую
структуру в виде восьми подсистем (рис.1.29). Основой ГАУ является станочное оборудование в виде ГПМ, станков с ЧПУ, РТК. Для автоматизации вспомогательных операций и обеспечения бесперебойной работы станочного оборудования используются: промышленные роботы, автоматизированная транспортно-складская система, контрольно-измерительные машины, автоматизированная система инструментообеспечения, система компьютерного управления. Современная концепция построения ГАУ предусматривает наличие у
станков самостоятельных устройств ЧПУ типа CNC. Гибкость и надежность
такой системы обеспечивается тем. что каждый станок имеет возможность
управляться как самостоятельный объект, т.е. возможна независимая работа
каждого станка. Поэтому в единый комплекс могут объединяться станки различных групп.
На рис.1.30 приведена структурная схема наиболее распространенной
типовой системы типа DNC – распределенное числовое управление группой
станков с ЧПУ. Система состоит из управляющего компьютера-сервера,
имеющего интерфейсный блок для связи с устройствами ЧПУ, и пультов операторов для обмена информацией между сервером и операторами станочного
оборудования.
1.Подсистема механической обработки
2.Подсистема управления станками с ЧПУ
Станочное Технология
оборудова- обработки,
ние, техно- управляющие
логическая программы
оснастка
(УП)
Процессоры Алгоритм
CNC,
управления,
панели опе- интерфейс,
ратора
программы
управления
А
А
Б
8.Подсистема загрузки
деталей на станки
МанипуляАлгоритм
торы, робоработы,
ты, паллет- программы
ные станции, средст- управления
ва околороботной механизации
64 система
Центральная
управления ГАУ
Модули
Б
3.Автоматизированная
транспортно-складская
система (АТСС)
Склад, кран- Алгоритм
штабелер,
автономного
тележкауправления
оператор,
автономный
пульт
управления
А
Б
Рис.1.29. Типовая структура ГАУ:
А - технические средства; Б - программная и техническая документация
65
66
Рис.1.30. Структурная схема типовой системы DNC: 1 – сервер; 2 – рабочее место технолога-программиста CAD/CAM станция; 3 – рабочее место диспетчера по планированию и учету; 4 – компьютер локальной сети
управления станками с ЧПУ; 5 – станки с ЧПУ; 6 – устройства подготовки инструмента
Оснащение каждого станка, входящего в состав ГАУ, уст-
ройством ЧПУ типа CNC предоставило возможность ввода в устройство ЧПУ
полной управляющей программы (или ее части). Поскольку процедура раздачи
управляю
щих программ кратковременна, то компьютер используется для решения задач
учета, планирования, обеспечения и др.
Подсистема управления станками с ЧПУ выполняет следующие функции:
- распределение УП по станкам с ЧПУ;
- передача откорректированных УП из систем с ЧПУ в центральную
память данных;
- хранение УП в компьютере;
- редактирование архива УП;
- хранение и управление данными об инструментах, о величинах их
коррекции на размер, о смещении нуля, а также передача этих данных
в систему ЧПУ и обратно.
Функции подсистемы инструментального обеспечения:
- измерение инструментов и формирование файла коррекции;
- хранение файлов коррекции на сервере;
- загрузка файлов коррекции одновременно с управляющей программой;
- полная информация об инструменте;
- определение потребности в инструменте.
Подсистема планирования и учета может охватывать одну или несколько групп станков и выполняет функции:
- сбора данных и оценки эффективности работы станков;
- расчета и анализа загрузки оборудования;
- анализа отклонений от плановых заданий по длительности и частоте;
- анализа состояния оборудования;
- ведения журнала состояния и техобслуживания станков;
- дистанционной диагностики оборудования и вывода сообщений по
сетевому телефону или по электронной почте;
- интеграции в верхний уровень контроля и управления.
Преимущества использования систем типа DNC состоят в следующем:
- нет необходимости в использовании носителей данных и соответствующих устройств записи и чтения;
- исключаются затраты, связанные с ремонтом устройств записи и чтения;
- исключаются трудоемкие операции по сортировке, учету и хранению
носителей данных и расходы, связанные с ними;
- постоянный контроль, анализ и документирование показателей хода
технологического процесса;
- наличие статистики отказов, позволяющей своевременно обнаруживать основные источники неполадок;
повышение степени автоматизации станков с ЧПУ и коэффициента
67
их загрузки.
На современном этапе развития техники и технологии каждому типу
производства соответствует определенный уровень автоматизации ГАУ. В зависимости от количества реализованных автоматизированных систем и подсистем можно выделить три уровня автоматизации ГАУ (рис.1.31).
П е р в ы й у р о в е н ь автоматизации ГАУ характеризуется наличием
системы централизованного программного управления основным технологическим оборудованием, подсистемы автоматизированной подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ и ряда подсистем по планированию производства, сбору и обработке информации о состоянии процесса обработки.
Использование в машиностроении ГАУ первого уровня автоматизации
несмотря на относительно небольшое количество реализованных подсистем
позволяет значительно повысить эффективность производства.
Положительный эффект от освоения участков первого уровня автоматизации обусловлен следующими факторами:
- сокращаются простои станков с ЧПУ, вызванные корректировкой
управляющих программ, их дублированием, переносом к станкам и обратно
для внесения изменений;
- повышается надежность системы, так как исключается ввод и считывание управляющих программ с программоносителя;
- имеется возможность оперативного планирования производства и сбора диспетчерских данных;
- сокращаются затраты на автоматизированную подготовку управляющих программ, так как имеется возможность ее осуществлять непосредственно
на производственном участке.
Экономические преимущества ГАУ первого уровня автоматизации наиболее очевидны в тех производствах, где необходимо часто вводить в работу
новые управляющие программы. Поэтому экономически выгодной областью
использования таких участков является серийное производство с коэффициентом закрепления операций от 10 до 35, характеризующееся большим объемом
работ по подготовке управляющих программ и переналадке станков с ЧПУ.
В т о р о й у р о в е н ь автоматизации ГАУ (рис.1.31), кроме систем и
подсистем первого уровня включает подсистемы автоматизированного складирования, хранения, учета и транспортирования к рабочим местам заготовок деталей и технологической оснастки.
Один из вариантов компоновки оборудования ГАУ второго уровня автоматизации представлен на рис.1.32. В состав участка входят: группа 1-6 многоцелевых станков; группа 7-12 токарных станков с ЧПУ, оснащенных манипуляторами; автоматизированная транспортно-складская система 18,19; транспортно накопительная система 13,14,16,17,20; система компьютерного управления.
Автоматизированная транспортно-складская система включает в себя
склад для создания задела заготовок, хранения полуфабрикатов и готовых
68
69
Рис.1.31. Схема уровней автоматизации ГАУ
70
Рис.1.32. Вариант типовой схемы расположения оборудования ГАУ:
1, 2, 3, 4 – горизонтальные многоцелевые станки; 5, 6 – вертикальные многоцелевые станки; 7, 8, 9,
10 – горизонтальные токарные станки с портальными манипуляторами; 11, 12 – вертикальные токарные станки с напольными манипуляторами; 13 – автоматическая роботизированная тележка “робокар“; 14,16 – приводной роликовый транспортер-накопитель; 15 – машина моечная проходная; 17
– накопитель для приема, установки на паллеты и выдачи обрабатываемых деталей; 18 – склады
стеллажные; 19 – автоматические штабелеры; 20 – столы приема-выдачи паллет
деталей. По вызову заготовки со склада подаются автоматическим штабелером
19 на роботизированную тележку 13, которая транспортирует их к рабочим
местам по заданной программе и выгружает на столы приема-выдачи. Установка заготовок на станки и снятие со станков готовых деталей производится
вручную.
Система управления участком двухуровневая, построена по принципу
централизованного управления от ЭВМ и обеспечивает выполнение следующих задач:
- подготовку, контроль и редактирование управляющих программ;
- хранение управляющих программ;
- управление станками с ЧПУ и транспортно-загрузочным устройством;
- оперативно-календарное планирование;
- учет хода производства;
- формирование сопроводительных технологических документов.
Среди ГПС гибкие автоматизированные участки второго уровня автоматизации нашли наибольшее распространение как у нас а стране, так и за рубежом. Они охватывают область среднесерийного производства с партиями запуска деталей 10…50 штук и предназначены, как правило, для обработки заготовок деталей с общими технологическими признаками.
ГАУ т р е т ь е г о у р о в н я автоматизации представляют собой наиболее развитые комплексно-автоматизированные системы (рис.1.31), удовлетворяющие основным требованиям "безлюдной технологии". По сравнению с
ГАУ второго уровня автоматизации в этих системах автоматизирована установка заготовок деталей на станки, технологическая подготовка производства,
а также реализован ряд задач информационного характера.
В качестве примера ГАУ третьего у ровня автоматизации можно привести комплексно-автоматизированный участок механической обработки «Орбита» [14], управляемый ЭВМ (рис.1.33). Участок предназначен для токарной и
сверлильно-фрезерной обработки заготовок деталей типа колец, дисков, фланцев. В участок входят: три токарных автомата 1-3 с ЧПУ; обрабатывающий
центр 4; автоматизированный прибор для измерения параметров деталей 10;
горизонтально-замкнутый конвейер 5, обеспечивающий гибкую транспортную
связь при перемещении патрона-спутника 6 с деталью (заготовкой) от исходного положения непосредственно на станок и обратно; автоматизированный
склад 11 заготовок и готовых деталей; комплектующая площадка 9; диспетчерский пульт 8; автооператор 7, выполняющий функции группового управления
[5].
На участке автоматизированы прием, хранение, межоперационное транспортирование, механическая обработка и контроль деталей.
В функции ЭВМ кроме управления работой склада, конвейера, станками
с ЧПУ входят расчет управляющих программ, контроль и управление производственным процессом.
Конвейер 5 снабжен загрузочными устройствами и механизмами смены
71
патронов-спутников.
Перевод обработки 20 наименований деталей на комплексноавтоматизированный участок «Орбита» позволил сократить трудоемкость их
Рис.1.33. Компановка участка “Орбита“ и схема движения заготовок и деталей:
1-3 – токарные станки с ЧПУ; 4 – обрабатывающий центр; 5 – конвейер с
автоматическим адресованием; 6 – патрон-спутник; 7 – автооператор; 8 –
диспетчерский пульт; 9 – комплектующая площадка; 10 – автоматизированный прибор для измерения параметров деталей; 11 – автоматизированный склад заготовок и готовых деталей
обработки на 30-35%, высвободить 24 высококвалифицированных станочника
и 12 единиц оборудования с ручным управлением.
За рубежом среди ГАУ третьего уровня автоматизации наибольшее распространение получили системы для обработки корпусных деталей. имеющие
в своем составе агрегатные обрабатывающие центры (рис.1.19 и рис.1.20) с
автоматической сменой многошпиндельных головок. АОЦ сочетают преимущества высокопроизводительной обработки, свойственной автоматическим
линиям, с гибкостью одношпиндельных обрабатывающих центров. Такие сис72
темы созданы фирмами Комау (Италия), Хюллер-Хилле, Бурхард и Вебер
(ФРГ), Цинциннати Милакрон (США), Рено (Франция) и др.
Структурная схема ГАУ, разработанная фирмой Тошиба Машин (Япония) для обработки корпусных деталей представлена на рис.1.34 [15]. Детали
нескольких типов располагаются в спутниковом магазине произвольно и подаются к любому из станков (на рис. показано только два станка).
Работа ГАУ возможна в одном из трех режимов:
- по программе (графику), разработанной заранее и введенной в системный регулятор;
- в ручном режиме при работе по графику (по программе прерывания);
- в ручном режиме независимо от графика.
При работе ГАУ в режиме «по графику» поддоны-спутники подаются на
обработку в порядке приоритета в соответствии с запросами со стороны станков.
Анализ уровней автоматизации ГАУ показывает, что с помощью ЭВМ
могут быть реализованы следующие функции:
- разработка управляющих программ для обработки заготовок деталей;
- подготовка, контроль, хранение и передача на станок управляющих
программ;
- отработка и корректировка управляющих программ в режиме диалога;
- оперативно-производственное планирование и учет работы оборудования;
- учет ресурса работы режущего инструмента;
- анализ качества деталей и подналадка оборудования;
- диагностика оборудования, входящего в ГАУ.
Из отечественного и зарубежного опыта следует, что ГАУ в машиностроении используются для обработки широкой номенклатуры деталей, объединяемых технологической общностью и габаритами обрабатываемых поверхностей и запускаемых в производство партиями.
Структура операций, выполняемых ГАУ, определяется технологическими возможностями станков, входящих в систему. Например, ГАУ для обработки деталей типа "тела вращения" выполняет токарные и фрезерно-сверлильные
операции.
Что касается мелкосерийного производства, то основные проблемы его
автоматизации вызваны широкой номенклатурой обрабатываемых деталей и
необходимостью частой переналадки оборудования. Это снижает эффективность использования ГПС в таком производстве.
Для обеспечения нормальной загрузки одного станка с ЧПУ в мелкосерийном
производстве требуется подготовка и отладка до 200 управляющих программ в
год. Первоочередными задачами, которые необходимо решить при создании
ГАУ в таком производстве, являются автоматизация технологической подго-
73
товки производства
и
сокращение времени переналадки станков. Предпо-
74
Рис.1.34. Структурная схема ГПС RMS – Т5003 обработки заготовок корпусных деталей
сылкой успешного решения указанных задач является группирование деталей
по конструктивно-технологическим признакам с целью организации их групповой обработки [16]. Определяющим признаком при комплектовании в группы деталей инструментального производства является сходство выполняемых
операций.
Эффект групповой технологии в условиях ГАУ заключается в удовлетворении двух противоположных требований: разнообразия и стандартизации.
Обработка деталей по групповым технологиям в условиях гибких производственных систем имеет ряд преимуществ:
- использование групповых наладок, т.е. одних и тех же приспособлений
и инструментов для деталей каждой отдельной группы;
- использование одного нулевого положения инструмента (или детали) и
величии коррекции инструмента для обработки всех деталей группы;
- значительное сокращение времени на переналадку: при удачном подборе деталей в группу переналадка на обработку следующей партии деталей
заключается в вызове другой управляющей программы из библиотеки программ;
- возможность распространения режимов резания, отработанных для одной операции, на все деталеоперации группы.
В связи с тем, что детали, объединенные в группы, близки по технологическим признакам, изготавливаются из одинакового материала, достаточно
разработать управляющую программу для одной детали-представителя группы
и отразить в исходной информации для ЭВМ специальными пометками элементы, по которым детали группы отличаются друг от друга (обычно - геометрические элементы). В дальнейшем при разработке управляющей программы
для любой детали из группы необходимо в исходной информации заменить
размеры помеченных элементов действительными размерами конкретной детали. Управляющую программу после использования можно либо сохранить в
библиотеке программ ЭВМ, либо аннулировать, так как ее легко восстановить
по управляющей программе на деталь-представитель [17].
Такие автоматизированные системы разработки технологии и управляющих программ позволяют эффективно и оперативно проводить все подготовительные работы для запуска последующей партии деталей за время обработки
предыдущей партии.
Применение групповых методов обработки позволяет использовать в составе ГАУ эффективные автоматизированные устройства загрузки и контроля
качества обрабатываемых деталей, что обычно затруднено в мелкосерийном
производстве в связи с их широкой номенклатурой.
В средне- и крупносерийном производствах с устоявшейся номенклатурой обрабатываемых деталей объем работ по подготовке и отладке управляющих программ, а также по переналадке станков с ЧПУ с обработки одной заготовки детали на другую, на порядок меньше, чем в мелкосерийном. При создании ГПС в этих производствах первоочередной задачей является автомати75
зация транспортно-складских операций, а также установка заготовок на станок
и снятие готовых деталей. Поэтому при группировании деталей серийного
производства определяющим является не только сходство выполняемых операций и подобие геометрической формы, но и близость размеров поверхностей,
являющихся базовыми при транспортировании, установке и снятии деталей.
Таким образом, для мелко- и среднесерийного производств основой внедрения ГПС является применение принципа групповой технологии.
Исходя из анализа опыта создания и использования ГАУ можно сделать
вывод, что на современном этапе развития техники и технологии экономически
целесообразно при создании ГАУ автоматизировать, в первую очередь, те виды
работ, которые являются наиболее трудоемкими и направлены на повышение
производительности труда, ликвидацию тяжелого физического труда и повышение качества продукции.
При создании ГАУ предусматривают ряд организационно-технических
мероприятий, в том числе:
- рациональное сочетание функций ЭВМ и оператора;
- расположение однотипных станков с ЧПУ по группам для создания
возможности их взаимозаменяемости при выполнении любой технологической
операции обработки деталей;
- применение стандартизированного режущего и вспомогательного инструмента, который настраивается заранее вне станка;
- использование на станках одной группы унифицированного комплекта
приспособлений;
- осуществление подачи заготовок посредством автоматизированной
транспортно-складской системы, позволяющей реализовать различные маршруты движения деталей: обработка на любом станке одной группы, последовательная обработка на одном из станков каждой группы, возврат деталей на
любую из позиций, передача на последующие операции через станки.
Опыт создания ГАУ и достигнутый уровень развития технических и программных средств автоматизации производства показывают, что целесообразно
поэтапное развитие ГАУ в такой последовательности: подсистемы
1,6,3,2,4,5,8,7 (рис.1.30). Поэтапный подход к созданию ГАУ позволяет использовать отработанные и проверенные практикой технические решения предыдущей подсистемы в качестве исходных данных для последующих подсистем.
Эффективность использования ГАУ достигается за счет:
- увеличения объема продукции, снимаемого со станков;
- сокращения численности рабочих-станочников;
- уменьшения количества применяемого оборудования;
- сокращения продолжительности производственного цикла;
- повышения гибкости производства;
- улучшения качества изделий;
- улучшения условий труда работников и повышения культуры производства.
О б л а с т и и с п о л ь з о в а н и я Г П С. Тенденция резкого уве76
личения количества используемых в машиностроении станков с ЧПУ, ГПМ,
РТК, обусловлена следующими факторами:
- необходимостью освоения в сжатые сроки новых изделий,вызванной
спросом рынка, и наращиванием в этой связи объемов вспомогательных производств, выпускающих средства технологического оснащения:
- расширением номенклатуры выпускаемых изделий и быстрой сменяемостью объектов производства;
- демографическими проблемами восполнения рабочей силы, особенно высококвалифицированными станочниками:
- освоением производства новых разновидностей систем ЧПУ и станков
с программным управлением, что позволяет значительно расширить спектр
эффективных областей использования этого оборудования.
Оснащение металлорежущих станков оперативными системами ЧПУ позволило эффективно их применять в мелкосерийном и индивидуальном производствах, а создание агрегатных переналаживаемых станков с ЧПУ расширило
области использования этого оборудования, включая крупносерийное производство.
Границы областей эффективного использования металлорежущего оборудования различных видов и станочных комплексов представлены на
рис.1.35. Данные рисунка отражают общую тенденцию, т.к. эффективность использования того или иного вида оборудования определяется соответствующим технико-экономическим расчетом для каждого конкретного производства.
Станки, оснащенные универсальными и оперативными системами ЧПУ, применяются в производствах с количеством операций на единицу оборудования
15 и более и с программой выпуска до 200 штук. При меньшем количестве
операций, приходящихся на единицу оборудования, и программе выпуска более 90 штук станки с ЧПУ целесообразно использовать в составе технологических станочных комплексов.
Опыт использования станков с ЧПУ как в странах СНГ, так и за рубежом
показывает, что наибольший эффект от этого оборудования можно получить
при условии создания на его базе предметно-замкнутых технологических участков. Высшей организационно-технической формой таких участков является
гибкая производственная система (ГПС).
Гибкие автоматизированные линии (ГАЛ) за рубежом создают в массовом и крупносерийном производствах (рис.1.28в) для обработки небольшой
номенклатуры деталей (до 5-6 наименований однотипных деталей,- например,
блоки цилиндров, картеры задних мостов, коленвалы и др.). В составе ГАЛ,
кроме станков с ЧПУ, используются переналаживаемые и агрегатные станки с
многошпиндельными сверлильными и расточными головками, сменяемыми по
программе (рис.1.19, рис.1.20).
77
Рис.1.35. Области использования в машиностроении металлорежущего оборудования и станочных
комплексов:
1 – универсальные станки с ручным управлением; 2 – станки ЧПУ; 3 – ГП модули; 4 – ГП участки; 5 –
ГП участки, имеющие агрегатные переналаживаемые станки; 6 – ГП линии; 7 – автоматические линии,
агрегатные и специальные станки, автоматы и полуавтоматы
.
Это является тенденцией дальнейшего развития автоматических линий и должно учитываться предприятиями на стадии заказа линий на
78
станкозаводах.
Что касается серийного производства, то здесь гибкие автоматизированные участки создаются на базе станков с ЧПУ и гибких производственных модулей.
Установлено, что эффект использования станков с ЧПУ в составе ГАУ,
при нормальной эксплуатации увеличивается по сравнению с индивидуальными станками с ЧПУ на 40-70%.
Рациональной областью использования ГАУ является серийное производство с годовой программой выпуска для деталей типа «тел вращения» от
200 шт. до 20 тыс.шт. каждого наименования, для корпусных - от 80 шт. до 5
тыс.шт.
1.5. Технологическая подготовка производства деталей
на станках с ЧПУ
1.5.1. О с о б е н н о с т и п о д г о т о в к и п р о и з в о д с т в а
Основные этапы подготовки производства изделий на станках с ЧПУ конструкторская и технологическая подготовка.
Конструкторская подготовка производства деталей на станках с ЧПУ по
объему и содержанию работ существенно не отличается от конструкторской
подготовки на традиционных станках. При разработке конструкции изделия,
подлежащего изготовлению на станках с ЧПУ, конструктору необходимо учитывать технологические возможности станков по изготовлению сложнопрофильных и точных деталей, а также основные требования, предъявляемые к
конструкции деталей системами автоматизированного проектирования технологии и управляющих программ для станков с ЧПУ [18-21].
Технологическая подготовка производства деталей на станках с ЧПУ по
содержанию, объему и методам существенно отличается от технологической
подготовки на станках с ручным управлением и включает следующие виды
работ:
- отбор номенклатуры деталей в зависимости от сложности конструкции,
их точности и программы выпуска;
- проработка чертежей деталей на технологичность, направленная на
унификацию конструктивных элементов, обеспечение возможности использования стандартного инструмента небольшой номенклатуры;
- разработка технологического маршрута обработки заготовки детали с
учетом существующего опыта изготовления аналогичных, выбор моделей станков с ЧПУ;
- разработка технологической документации и программных карт;
- разработка управляющих программ для станков с ЧПУ;
- проектирование и изготовление специальной технологической оснастки;
- отладка и корректировка программ.
Основные правила построения технологических процессов обработки на
79
станках с ЧПУ соответствуют общим принципам механической обработки деталей [22]. Специфические особенности проектирования обусловлены высокой
производительностью станков за счет автоматизации всего цикла обработки заготовок деталей, концентрацией обработки на одной операции без переустановки заготовок, более высокой точностью и идентичностью обработанных поверхностей, необходимостью разработки управляющих программ обработки заготовок на станках с ЧПУ.
Схема последовательности и особенностей технологической подготовки
обработки деталей на станках с ЧПУ приведена на рис.1.36.
Выбор деталей для обработки на станках с
ЧПУ. Экономическая целесообразность использования станков с ЧПУ во многом определяется номенклатурой деталей, которая устанавливается техникоэкономическим расчетом путем сравнения суммарных или приведенных затрат
по нескольким вариантам обработки. При определении эффективности необходимо учитывать изменения, вносимые при использовании станков с ЧПУ в организацию производства.
При выборе номенклатуры деталей учитываются:
- сложность конфигурации обрабатываемых поверхностей, объем и номенклатура выпуска деталей: надо полагать, что обработка сложных поверхностей на станках с контурными системами ЧПУ более эффективна, чем простых;
- точность межцентровых расстояний в деталях (с повышением точности
повышается эффективность обработки на станках с позиционной системой
ЧПУ);
- относительное расположение обрабатываемых поверхностей с точки
зрения удобства выполнения технологических операций;
- обрабатываемость материала заготовки;
- возможность унификации технологических баз;
- трудоемкость обработки на станках без ЧПУ;
- возможность конструктивной унификации обрабатываемых поверхностей или их элементов с целью создания условий для разработки групповых
процессов и унифицированных элементов программ;
- возможность создания участка станков с ЧПУ и организации многостаночного обслуживания.
А н а л и з т е х н о л о г и ч н о с т и д е т а л и. Основными задачами проработки конструкции детали на технологичность являются:
- создание удобных баз;
- возможность замены установок позициями;
- проверка соответствия простановки размеров требованиям разработки
программы в зависимости от способа отсчета координат системой ЧПУ;
- создание возможности обработки максимального количества поверхностей одним инструментом.
Технологическая подготовка обработки деталей на станках с ЧПУ
80
Выбор
деталей
Анализ технологичности
деталей
Технологическая проработка
чертежей
деталей
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Выбор заготовки и способа ее получения
Выбор технологических баз и зажимных устройств
Выбор способов обработки всех поверхностей
Определение последовательности операций
Выбор оборудования
Построение структуры операций и установление последовательности переходов
Выбор режущих инструментов
Расчет припусков на обработку
Расчет координат
Установление исходных данных и расчет режимов обработки
Расчет траектории перемещения инструмента и ее графическое построение
Нормирование техпроцесса
Расчет точности обработки и производительности, техникоэкономическое обоснование применения станков с ЧПУ
Разработка управляющих программ обработки и запись их на
программоносители
Отработка и корректировка управляющих программ
Рис.1.36. Схема технологической подготовки обработки
заготовок деталей на станках с ЧПУ
81
Для обеспечения указанных требований необходимо:
- проверить простановку размеров на чертежах деталей, линейные размеры проставить от единых баз, т.е. применить координатный способ простановки, при необходимости выбрать координаты центров дуг сопряжений поверхностей;
- формы деталей задавать сочетанием простых геометрических фигур;
- криволинейные контуры и кривые сопряжений должны составлять простые математические кривые, лучше дуги окружности;
- внутренние радиусы сопряжений контуров должны быть одного размера
из стандартного ряда диаметров для всех участков деталей, чтобы можно было
вести обработку по одной программе без смены инструмента;
- правые и левые детали следует проектировать как зеркальное отображение одна другой, это облегчает программирование.
Выбор номенклатуры деталей для обработки на станках с ЧПУ на предприятиях проводится с учетом сложности их конструкции, серийности изготовления, возможностей концентрации операций, исключения разметочных и
слесарных работ, замены дорогостоящего специального оборудования и технологической оснастки.
При выборе номенклатуры деталей руководствуются тем, что использование станков с ЧПУ экономически оправдано:
- в единичном, мелкосерийном и среднесерийном производствах, в многономенклатурных поточных линиях, в цехах и на участках с непоточным характером производства;
- для выполнения всех видов сложных операций механической обработки;
- для выполнения работ, требующих повторяемости размеров, с жесткими допусками как для деталей внутри одной партии, так и в партиях деталей,
обрабатываемых в разное время;
- для обработки партии относительно сложных деталей, где наиболее вероятны ошибки станочника;
- для изготовления деталей машин, конструкция которых подвергается
частым изменениям;
- для изготовления деталей со сложными перемещениями инструмента
при большом удельном весе холостых перемещений;
- для обработки заготовок деталей, когда требуются при изготовлении на
станках с ручным управлением сложные копиры, шаблоны, приспособления,
большое количество разметочных операций и т. п.
На станках токарной группы целесообразно обрабатывать ступенчатые
валы с числом ступеней более трех, шестерни, крышки подшипников и цилиндров, ступицы колес, цилиндры двигателей внутреннего сгорания, барабаны
сцепления, шкивы, фланцы, кольца подшипников, осевой режущий инструмент
сложной формы, оправки, цанги, детали пресс-форм и штампов и др.
На станках фрезерной группы целесообразно обрабатывать корпусные
детали (картер руля, картер заднего моста, картер КОМ, картер КПП и другие),
82
рычаги и кронштейны, золотниковые коробки, призмы, кулачки и копиры, детали штампов и пресс-форм, пуансоны и матрицы штампов и пресс-форм и др.
Станки этой группы часто используют на первой операции для обработки поверхностей, служащих базой при последующей обработке на обрабатывающих
центрах.
На многооперационных станках сверлильно-расточной группы целесообразно обрабатывать картеры маховиков, задних мостов, рулевого управления,
коробок перемены передач и отбора мощности, корпуса редукторов и насосов,
крышки редукторов и картеров, блоки цилиндров и головки блока и другие детали, требующие обработки с двух и более сторон.
Предварительно отобранные детали подвергаются анализу на технологичность конструкции с целью:
- сокращения типоразмеров используемого режущего инструмента;
- повышения точности базирования, уменьшения степени деформации
заготовок деталей при обработке;
- уменьшения объема слесарно-доводочных операций при последующей
обработке, сборке деталей и узлов;
- уменьшения количества переустановок заготовок и потребной оснастки;
- сокращения времени на расчет и подготовку программ;
- применения стандартного инструмента взамен специального.
При проработке на технологичность следует учитывать следующее:
- отверстия деталей, обрабатываемых на станках сверлильно-расточной
группы, должны быть, по возможности, унифицированы по диаметрам, фаскам,
резьбам и другим элементам;
- конструкция деталей должна обеспечивать быстрое и удобное их закрепление на станке. В конструкции деталей, обрабатываемых на фрезерных,
сверлильных, расточных станках с ЧПУ, не имеющих элементов наружного
или внутреннего контура, которые могли бы быть использованы для базирования, необходимо предусматривать два максимально разнесенных по габариту
заготовки детали базовых отверстия, расположенных в допустимых местах зоны свободного доступа;
- для сокращения типоразмеров режущего инструмента сопряжения наружных и внутренних поверхностей должны производиться, по возможности,
одинаковыми (типовыми) для данной детали радиусами;
- на деталях типа тел вращения размеры фасок и канавок должны быть,
по возможности, унифицированными;
- для сокращения затрат на программирование желательно упрощение
геометрических образов, т.е. деталь должна содержать однотипные геометрические элементы, содержащие участки прямых, дуг окружностей и других несложных кривых второго порядка;
- правые и левые детали не должны отличаться друг от друга по размерам;
- детали, по возможности, должны иметь симметричную форму;
83
- простановка всех размеров должна проводиться в прямоугольной системе координат от единых конструкторских баз детали. Желательна простановка размеров ко всем центрам окружностей, если это не требует от конструктора дополнительных трудоемких вычислений;
- на чертежах деталей допускаются указания об обработке сложных поверхностей на станках с ЧПУ.
Типизация и группирование деталей осуществляется с целью обеспечения возможности использования групповых методов обработки. Для выработки единых технологических решений из каждой группы выбирают детальпредставитель, для нее разрабатывают технологический процесс и управляющую программу. Для остальных деталей группы часто ограничиваются разработкой только управляющих программ. Это снижает затраты на технологическую оснастку и наладку оборудования.
Типизация и группирование деталей, как правило, выполняются в три
этапа:
- классификация деталей по конструктивно-технологическим характеристикам;
- классификация поверхностей, подлежащих обработке;
- группирование деталей и выбор типовых представителей групп.
Одной из главных особенностей построения технологических процессов
обработки деталей на станках с ЧПУ и ГПМ является максимальная концентрация технологических переходов при одной установке детали. При этом достигается высокая точность относительного расположения поверхностей, обрабатываемых с одной установки детали. Это объясняется тем, что при обработке
нескольких поверхностей с одной установки погрешность переустановки не
влияет на точность их относительного расположения.
Разработку технологических процессов обработки деталей на станках с
ЧПУ осуществляют в следующей последовательности:
- определение технологического состояния заготовки;
- выбор способа обработки поверхности детали;
- составление технологического маршрута обработки заготовки детали;
- выбор оборудования;
- выбор структуры операции;
- установление рациональной последовательности переходов в операции;
- расчет припусков на обработку;
- расчет режимов резания и норм времени;
- выбор оснастки;
- расчет загрузки оборудования.
При разработке технологических процессов обработки деталей учитывают возможности станков с ЧПУ в части:
- максимальной автоматизации всего процесса обработки;
- максимальной концентрации обработки поверхностей за одну установку заготовки детали;
84
- выполнения на одном станке получистовой и чистовой обработки;
- использования нескольких инструментов, причем с осуществлением
обработки каждым инструментом последовательно без совмещения переходов;
- внесения изменений в последовательность обработки заготовки детали
путем изменения управляющей программы;
- обработки заготовки детали без использования специальной оснастки;
- ограничения по размерам и массе используемых инструментов.
Указанные особенности позволяют осуществлять процесс обработки деталей с использованием станков с ЧПУ при значительно меньшем количестве
операций, чем с применением универсального оборудования. При этом устраняются пробные проходы, разметочные операции, сокращаются затраты на
контроль и межоперационное перемещение заготовок деталей.
Технологическая подготовка для станков с ЧПУ требует разработки процесса по переходам с тщательно установленными режимами резания, что особенно важно для контурной системы ЧПУ.
При разработке технологического процесса устанавливается не только
вид и путь инструмента, но и его исходное положение, характер траектории на
участке подхода и врезания.
В контурных системах ЧПУ обычно используется относительный (в приращениях) способ отсчета координат опорных точек эквидистанты обрабатываемого контура, в позиционных - абсолютный способ отсчета. При относительном способе отсчета координат за нулевое положение принимают положение исполнительного органа, которое он занимает перед началом перемещения
к следующей опорной точке, т.е. перемещение “от точки к точке”.
Первая опорная точка при относительном способе отсчета называется исходной точкой или старт-точкой. Она выверяется при настройке станка и играет
роль начала координат, от которого рассчитывается программа обработки конкретной детали. При абсолютном способе точка начала отсчета координат называется “плавающим нулем”. Особенностью технологической подготовки является необходимость точного расчета траектории инструмента на всем пути
его движения и задания направления перемещения.
Технологическая оснастка для станков с ЧПУ должна обеспечить выполнение следующих специфических требований:
1. Для режущего инструмента:
- высокую режущую способность и стабильную стойкость инструмента;
- возможность обработки одним инструментом нескольких поверхностей
заготовки детали при одной ее установке;
- минимальные затраты времени на смену инструмента;
- высокую точность обработки после смены инструмента;
- возможность регулировки при настройке инструмента на размер.
2. Для вспомогательного инструмента:
- высокую точность установки в шпиндель станка при автоматической
смене;
- быстросменность и точность закрепления;
85
- высокую статическую и динамическую жесткость;
- ограничения по массе;
- наличие поверхностей захвата при смене инструмента;
- высокую точность изготовления;
- наличие конструктивных элементов для регулирования размеров режущего инструмента;
- возможность настройки вне станка.
3. Для приспособлений:
- увязку положения приспособления с осями координат станка;
- наличие базовых поверхностей для настройки режущего инструмента;
- быстродействие и удобство обслуживания;
- отсутствие элементов приспособления, мешающих относительным перемещениям рабочих органов станка.
При внедрении станков с ЧПУ разрабатывается следующая технологическая документация:
- операционно-технологические карты;
- схемы движения режущего инструмента;
- расчетно-технологические карты;
- карты наладки инструмента;
- управляющие программы.
Из указанного перечня документов разработка схемы движения режущего инструмента и расчетно-технологической карты необходимы для подготовки управляющей программы.
Правила оформления документов на технологические процессы и операции обработки резанием регламентируются ГОСТом.
П р о р а б о т к а ч е р т е ж е й д е т а л и н а т е х н о л о г и ч н о с т ь.
Указанная работа проводится на первом этапе технологической подготовки,
включает в себя необходимые изменения чертежа и схемы простановки размеров и направлена на повышение технологичности конструкции. В данном случае к основным требованиям технологичности относятся: стандартизация и
унификация элементов заготовок; унификация радиусов сопряжений поверхностей и канавок для выхода инструмента; упрощение форм контура заготовки;
выбор конструктивной компоновки заготовки, обеспечивающей максимальную
доступность всех обрабатываемых поверхностей; создание единых конструкторских и технологических баз и простановка размеров от этих баз в соответствии с принятой системой координат для программирования обработки заготовки.
Указанные, а также некоторые другие требования должны быть направлены на сокращение количества установов заготовки и типоразмеров режущего
инструмента, улучшение условий базирования, повышение точности изготовления заготовки.
Для облегчения задач программирования следует упрощать геометрические образы и типизировать основные (повторяющиеся) геометрические элементы заготовки, желательно, чтобы обрабатываемые поверхности заготовки
86
представляли собой плоскости или криволинейные поверхности, профиль которых образован сопряжением прямых с дугами окружности; в корпусных заготовках следует избегать наклонных стенок. В общем случае необходимо стремиться к использованию заготовок с такими поверхностями, обработку которых
можно будет проводить по управляющей программе для контурной системы с
линейно-круговым интерполятором. Программирование упрощается, если обработка поверхностей ведется с управлением одновременно не более, чем по
двум координатам.
Для удовлетворения требований механической обработки на станках с
ЧПУ в общем случае следует считать технологичными такие заготовки, формы
и размеры которых отвечают условиям выполнения обработки в непрерывном
автоматическом цикле. Допускаются короткие перерывы, обусловленные ручной сменой инструмента или контрольным измерением, но не связанные с выполнением ручных приемов управления обработкой.
Если конструкция заготовки отвечает общим требованиям механической
обработки и программирования, то повышение технологичности конструкции в
первую очередь должно быть направлено на сокращение типоразмеров режущего инструмента, необходимого для полной обработки заготовки. При этом
надо стремиться использовать стандартный инструмент.
При обработке на фрезерных станках с ЧПУ сопряжение стенок наружных и внутренних обрабатываемых контуров заготовки следует проводить по
возможности одинаковыми, типовыми для данного контура радиусами Rтип.
Для обеспечения удовлетворительных условий работы инструмента необходимо, чтобы
Rтип > (1/5 - 1/6)Н,
где Н - наибольшая высота стенок обрабатываемого контура.
Численные значения Rтип (в миллиметрах) должны соответствовать нормальному ряду типоразмеров концевых фрез. При обработке на сверлильных и
расточных станках с ЧПУ следует стремиться к одинаковым диаметрам крепежных отверстий, а также к сокращению числа диаметров растачиваемых отверстий.
При обработке на токарных станках с ЧПУ большое значение имеет ограничение форм и размеров канавок для выхода инструмента. С целью облегчения подготовки управляющей программы размеры в чертеже заготовки следует
проставлять в соответствии с требованиями программирования, т.е. в прямоугольной системе координат от единых конструкторских баз заготовки. Для
этого необходимо выбрать начало системы координат и направление осей. Желательно, чтобы направление осей заготовки совпадало после ее установки на
станке с направлением осей координат станка.
В отдельных случаях приходится отказываться от принятой в чертеже
схемы нанесения размеров. Так, расположение крепежных отверстий относительно основного обычно задают центральным углом дуг, ограниченных их
осями, и радиусом от центра основного отверстия. При обработке отверстий на
станке с ЧПУ целесообразно наносить размеры так, как показано на
87
рис.1.37,а,б. На рис.1.37,б за начало системы координат (исходную точку)
выбран центр основного отверстия с целью сокращения холостых ходов при
обработке.
Если осуществляется обработка криволинейных контуров плоских заготовок на станке с ЧПУ, то в чертеже необходимо указывать размеры радиусов
дуг, координаты центров радиусов, координаты точек сопряжения дуг
(рис.1.37,в).
а
б
0
в
г
Рис.1.37. Простановка размеров на чертежах деталей,
обрабатываемых на станках с ЧПУ
В чертежах заготовок, обрабатываемых на токарных станках, точные линейные размеры обычно задаются непосредственно от единой базы, а не цепью. Это вполне оправдано для станков с РУ, так как рабочему надо выдержать
точно только эти размеры. Для станка с ЧПУ это не имеет значения, так как
точность отсчета перемещения одна и та же, а начало отсчета, как правило, не
88
совпадает с конструкторской базой и находится вне заготовки. B связи с этим
размеры для таких заготовок можно наносить и цепью, ограничивая их допусками, соответствующими требованиям конструкции (рис.1.37.г).
В общем случае нанесение размеров на чертежах заготовок, обрабатываемых на станках с ЧПУ, должно быть таким, чтобы при подготовке управляющей программы не возникала необходимость их пересчета.
На рис.1.38 приведен пример нанесения размеров детали и расположения
координатных осей при обработке ее на станке с позиционной системой ЧПУ.
о
Рис.1.38. Пример нанесения размеров и расположения
координатных осей детали
При большом числе отверстий в детали можно использовать табличный
метод отсчета координат обрабатываемых отверстий. Для координат отверстий
детали, приведенной на рис.1.38, составлена табл.1.1.
На рис.1.39 показана конструктивная схема детали с простановкой размеров и координат для обработки на станке с контурной системой программного
управления.
Таблица 1.1
Пример табличного метода отсчета координат обрабатываемых
отверстий в детали (рис.1.38)
Номер
Координата
89
Размер, мм
Отверстия
Х
У
1
2
3
4
1
0
+27,5
М16
2
0
+167
М16
3
+375
+195
М16
4
+445
+168
М16
5
+460
+48
М16
6
+445
+28
∅16
7
+375
0
М16
8
+280
+48
М16
9
+280
+148
∅16
10
+305
+168
М16
11
+136
+122
М12
12
+200
+122
М12
13
+200
+68
М12
14
+136
+68
М12
1.5.2. Р а з р а б о т к а
управляющих
программ
для
с т а н к о в с ЧПУ
Одним из основных условий успешного внедрения и эффективной эксплуатации станков с ЧПУ является оперативное и экономичное обеспечение их
управляющими программами (УП).
Практика показывает, что на один станок с ЧПУ ежегодно разрабатывается в среднем 20…40 УП [12]. Для нормальной эксплуатации станка с ЧПУ
необходимо иметь библиотеку, содержащую около 60 УП в условиях производства с повторяющейся номенклатурой обрабатываемых деталей и около 110
УП - в условиях производства с изменяющейся номенклатурой. Эти показатели
свидетельствуют о важности задач оперативной подготовки УП с минимальными затратами.
90
Рис.1.39. Пример простановки размеров и координат для обработки заготовки детали на станке с контурной системой ЧПУ
М е т о д ы р а з р а б о т к и У П. Существуют следующие методы
подготовки УП:
- ручной;
- автоматизированный с помощью устройства ЧПУ во встроенной микроЭВМ - цеховое программирование;
- автоматизированный вне станка с использованием персонального
компьютера и соответствующих систем программирования.
Ручное программирование основано на использовании технологической
информации, взятой из операционных карт обработки, и геометрической информации, взятой из чертежа детали. Затем, пользуясь справочниками, инструкциями по программированию и выполняя необходимые расчеты, технологпрограммист кодирует каждую команду на выполнение вспомогательных действий, технологических переходов, контрольных и др. операций и записывает
результаты в карту кодирования информации. Содержимое карты переносится
на программоноситель для возможности передачи его устройству ЧПУ.
Схема разработки УП ручным методом приведена на рис.1.40.
Этим методом разрабатывают управляющие программы обработки заготовок деталей простой геометрической формы. Для разработки управляющих
91
Чертеж детали
Разработка карты
кодирования
информации
Технологические данные:
маршрут обработки;
тип станка с ЧПУ;
режущий инструмент;
режимы резания и др.
Запись информации на программоноситель
Устройство ЧПУ
станка
Рис.1.40.Схема
бом
разработки
Ввод
УП
Контроль УП
управляющих программ ручным спосо-
программ обработки сложно-профильных деталей ручной метод нерационален,
так как трудоемкость программирования возрастает настолько, что использование станков с ЧПУ для обработки этих деталей становится неэффективным, а
для деталей, имеющих пространственно заданные поверхности, - практически
92
трудноосуществимым.
Значительная трудоемкость разработки управляющих программ ручным
методом явилась предпосылкой автоматизации программирования с помощью
ЭВМ.
В индивидуальном и мелкосерийном производствах при неповторяющихся партиях деталей с относительно простой геометрической формой часто
ограничиваются разработкой только УП. При этом управляющие программы
разрабатывают непосредственно у станка (цеховое программирование), используя при этом клавиатуру пульта оператора и возможности систем CNC в
части построений и преобразований контуров поверхностей деталей, постоянных циклов, подпрограмм и т.п.
За последние годы в связи с развитием микропроцессорных систем ЧПУ
для управления металлорежущим оборудованием и оснащением их устройствами (символьно-цифровой клавиатурой, дисплеями, мощными микроЭВМ)
для работы в режиме диалога наблюдается устойчивая тенденция разработки
управляющих программ автоматизированным способом непосредственно у
станка с ЧПУ. При этом станок с ЧПУ на период разработки УП выполняет
функции компьютера. Устройства ЧПУ имеют узкоспециализированное программное обеспечение. Для ускорения работ по программированию технологических операций современные устройства ЧПУ (типа Heidenhain, Sinumerik,
Fanuc, 2С42, 3С170 и др.) имеют широкий набор постоянных и технологических циклов обработки, подпрограмм.
К постоянным циклам относятся: сверление, зенкерование, нарезание
резьбы, растачивание, глубокое сверление, сверление двух рабочих глубин,
зенкерование на обратном ходу и др.
К технологическим циклам относятся: однопроходный продольный цикл,
однопроходный поперечный цикл, многопроходный черновой продольный
цикл, многопроходный черновой поперечный цикл. многопроходный цикл нарезания торцовых или цилиндрических канавок, многопроходный цикл резьбонарезания.
Кроме того, устройства ЧПУ позволяют выполнять функции преобразования геометрических элементов: зеркальную обработку, последовательность
точек на прямой или окружности, последовательность точек в форме матриц
и др.
При помощи функции по определению геометрических элементов контура детали устройством ЧПУ могут быть вычислены точки, прямые и окружности, которые требуются для составления программы, но отсутствуют непосредственно на чертеже детали.
Этот метод разработки УП предполагает оснащение станков оперативными устройствами ЧПУ и используется при изготовлении деталей простой и
средней по сложности геометрических форм.
К достоинствам метода программирования непосредственно у станка
следует отнести следующее:
- не требуются услуги технолога-программиста, т.е. нужны меньшие ор93
ганизационные затраты при внедрении станков с ЧПУ;
- лучше используются технологические знания и опыт производственников;
- уменьшаются затраты на корректировку программ, так как при их
разработке можно учесть текущее (на момент начала обработки заготовки детали) состояние станка с ЧПУ, фактическую номенклатуру
применяемых инструментов и приспособлений.
- увеличивается гибкость производства.
Однако при использовании этого метода имеют место простои станков с
ЧПУ, связанные с разработкой и вводом УП, требуются операторы станков с
ЧПУ более высокой квалификации.
При разработке УП применяют персональные компьютеры, т.к. они более
доступны технологу-программисту, занимают мало места, их можно располагать непосредственно в цеховых службах. Кроме того, персональные компьютеры используются также в качестве управляющих машин, что позволяет эффективно использовать их в составе ГПС.
В качестве специального программного обеспечения служат системы
автоматизированного программирования (САП). Укрупненная схема, отражающая основные этапы разработки УП с помощью САП, представлена на
рис.1.41.
В зависимости от объема и вида решаемых задач САП разделяются на
системы общего назначения (универсальные) и специализированные. САП общего назначения ориентированы на универсальный подход к решению задач
разработки УП для широкого класса деталей и различных типов станков с
ЧПУ. Специализированные САП ориентированы на разработку УП для отдельных типов станков с ЧПУ [23].
Разработка управляющей программы происходит в диалоговом режиме
работы с использованием специального меню и экранных форм (интерактивный режим), либо входного языка системы в зависимости от архитектуры
САП. Технолог-программист может вести диалог с САП при помощи клавиатуры и утройства типа “мышь”.
Технолог-программист на основе чертежа детали и данных технологии
разрабатывает исходную программу (ИП) с использованием персонального
компьютера. Исходная программа, являясь математической моделью для программирования обработки, задается в диалоговом режиме последовательно с
декомпозицией сложных поверхностей деталей на геометрические элементы.
При этом диалог состоит в последовательности запросов и указаний, содержащихся в меню и позволяющих описывать геометрию обрабатываемых поверх-
94
Сведения о технологии обработки
Чертеж детали
Исходная программа
на входном языке САП: описание геометрии,
траектории перемещения инструмента,
технологии
Процессор системы
Библиотека построцессоров
Визуализация и редактирование УП
Распечатка УП и
траектории перемещения инструмента
Управляющая программа
на носителе информации
Рис.1.41. Схема разработки управляющих программ с помощью систем
автоматизированного проектирования
ностей деталей, последовательность движений режущих инструментов, техно95
логические режимы обработки, параметры инструмента и другую информацию.
При разработке исходной программы в и н т е р а к т и в н о м р е ж и м е
с и с п о л ь з о в а н и е м м е н ю и э к р а н н ы х ф о р м САП, как
правило, включает следующие основные модули:
- базу данных геометрической информации и управляющих программ;
- геометрический редактор для построения плоских и объемных поверхностей;
- средства формирования траектории инструмента для различных видов
обработки;
- средства объединения траекторий инструмента в инвариантную программу на языке системы;
- редактор текста инвариантной программы, обеспечивающий ее
визуализацию;
- средства визуализации инвариантной программы;
- набор постпроцессоров, транслирующих инвариантную программу в
управляющую программу станка с ЧПУ;
- генератор постпроцессоров.
База данных САП обеспечивает хранение, обновление, удаление и другие
функции обработки информации, создаваемой в процессе моделирования и
подготовки управляющих программ.
Геометрический редактор предназначен для формирования в интерактивном режиме плоских и объемных геометрических примитивов: точек, отрезков прямых, многоугольников, дуг окружностей, плоских и пространственных кривых. С использованием этих примитивов описываются поверхности
обрабатываемых заготовок деталей.
Типовая последовательность действий технолога-программиста при разработке управляющих программ с использованием таких САП содержит следующие операции:
- в архиве данных создается папка (файл), в котором будет размещаться
информация по обрабатываемой детали;
- описывается геометрия детали с использованием геометрического редактора системы. При этом линии, описывающие поверхности детали,
являются составными, образованными отрезками прямых, окружностей, других кривых, предусмотренных в редакторе системы. Линии,
описывающие зоны обработки, объединяются в контуры. При необходимости используются преобразования, включающие копирование,
перенос, поворот, зеркальное отражение и др.;
- выполняются вспомогательные построения в геометрическом редакторе. например, построение контуров, ограничивающих зону обработки, проекций кривых на плоскости, контуров прижимов, закрепляющих заготовку детали на столе станка и т. п.;
- к контурам поверхностей деталей строятся эквидистанты, определяющие границу перемещения инструмента с учетом органичений зо96
ны обработки. Строятся участки траекторий подхода инструмента к
обрабатываемому контуру и отхода от него. Для карманов определяются области, обрабатываемые фрезой данного радиуса;
- формируются программы описания траектории перемещения инструмента при обработке заготовки детали;
- к описанной траектории перемещения инструмента добавляются отрезки, соединяющие ее с исходной точкой, а также технологические
параметры (подача, частота вращения шпинделя, включение смазочно-охлаждающей жидкости и др.). Управляющие программы записываются в инвариантном коде;
- управляющая программа просматривается в редакторе программ и при
необходимости корректируется. Затем на экране дисплея имитируется
перемещение инструмента, т.е. осуществляется просмотр программы в
динамике;
- производится постпроцессирование программы определенным постпроцессором, в результате чего получается окончательная управляющая программа в кодах устройства ЧПУ конкретного станка;
- редактирование управляющей программы.
В соответствии с этим, главное меню САП должно содержать пункты:
- работа с архивом данных;
- геометрический редактор и обработка;
- построение исходной программы;
- редактирование исходной программы;
- визуализация;
- постпроцессоры;
- редактирование управляющей программы.
Для описания поверхностей детали в геометрическом редакторе его меню может содержать следующие основные разделы: утилиты редактора, маркер, отрезок, дуга, кривая, контуры, измерить, преобразовать, пересечения, модифицировать, текст, примитивы, ввод/вывод и др.
При описании геометрии детали проставляются все опорные точки, входящие в элементы контуров поверхностей деталей (две крайние точки отрезка
прямой, три точки дуги окружности, базовые точки кривой линии – начальная
и конечная, промежуточные точки, задающие характеристическую ломаную
кривой).
Способ построения кривых определяется выбором одного из пунктов
меню: эллипс, спираль Архимеда, эвольвента, кривая 2-го порядка, задание
кривой в параметрическом виде, интерполяция, преобразование сплайна и др.
Интерполяция позволяет по заданному множеству опорных точек, характеризующих кривую линию, провести сплайн так, что расстояние до него от любой
опорной точки описываемой кривой будет меньше значения точности из таблицы параметров. Количество узлов интерполирующего сплайна выбирается
автоматически.
Использование пункта меню “Преобразование сплайна” позволяет ап97
проксимировать с заданной точностью кривую линию в контур, состоящий из
гладко сопряженных дуг окружностей и отрезков и воспринимаемый устройством ЧПУ.
Конечной целью работы с геометрическим редактором системы является
создание набора контуров, описывающих поверхности обрабатываемой заготовки детали. Условием возможности объединения двух простых элементов в
контуре является совпадение координат хотя бы одного из концов элемента.
Один и тот же элемент может входить в любое число контуров. Геометрический редактор позволяет также модифицировать контуры, полученные в результате других построений. При этом, система предлагает все возможные варианты расположения, пересечения, сопряжения или касания указываемых
технологом-программистом геометрических примитивов (точек, дуг окружностей, кривых линий) и ему необходимо определить только те, которые обеспечивают правильность описания геометрии детали.
С целью удобства работы технолога-программиста основное меню геометрического редактора САП, как правило, содержит раздел “Утилиты редактора”, в котором формализованы и объединены дополнительные геометрические операции с контурами и группами контуров, связанными с построением
траектории обработки. Например: построение контура, эквидистантного к одному или нескольким исходным контурам; скругление участков контура; вписывание фрезы в контур, эквидистантно сдвинутый на радиус фрезы относительно заданного контура; вписывание токарного резца в контур при построении траектории движения расчетной точки токарного резца при бесподрезной
обработке контура с учетом ограничений; построение траектории подхода (отхода) инструмента к контуру и др.
При построении траектории подхода-отхода инструмента к контуру
должны быть обеспечены следующие условия:
- фреза плавно по касательной подходит к точке начала обработки контура с тем, чтобы избежать подрезов стенок заготовки детали, вызванных деформацией фрезы при обходе участка контура;
- при программировании обработки контура с использованием коррекции на радиус инструмента перед началом обработки в траекторию
движения инструмента должен быть вставлен отрезок прямой, на котором включается коррекция. Этот отрезок должен быть перпендикулярен к контуру в точке начала его обработки или в начальной точке
линии плавного подхода инструмента к контуру. Аналогично, участок
отхода инструмента от контура должен иметь отрезок плавного выхода и следующий за ним прямолинейный участок выключения коррекции.
В некоторых САП входной язык может быть алгоритмическим и по своей
сущности близким к формульно-словесному способу описания обработки. Основное достоинство этого способа состоит в том, что запись процесса обработки получается весьма наглядной и понятной для широкого круга специалистов,
знакомых с обычной математической символикой и различными способами
98
геометрических построений. С другой стороны, во входном языке САП имеются строгие правила записи процессов обработки, благодаря чему устраняется
опасность неоднозначного понимания сделанной записи. Такие САП наиболее
понятны технологам-программистам высокой квалификации.
Имеющиеся в настоящее время системы отличаются входными языками
и определенным уровнем интеллектуализации интерфейса, характеризующими
их возможности и области применения. Наибольшее развитие получили аптоподобные языки (на базе системы АРТ).
Входной язык САП содержит, как правило, следующие типы операторов:
- геометрические, включающие различные способы описания точек,
прямых, окружностей, векторов, плоскостей, контуров, упорядоченных множеств точек, а также средства перехода из одной системы координат в другую;
- операторы движения, описывающие как позиционные перемещения
инструмента из точки в точку, так и перемещения вдоль контуров, состоящих из отрезков прямых, дуг окружностей и других кривых;
- операторы преобразования, позволяющие осуществлять сдвиг, поворот, зеркальное отображение и масштабирование произвольных частей траектории движения инструмента;
- операторы управления, предназначенные для управления шпинделем,
подачей, загрузкой и сменой инструмента и заготовок, охлаждением,
технологическим остановом и т.п.;
- специальные операторы, включающие описание начала и конца программы, описание и вызов подпрограмм, условных и безусловных переходов, комментариев и др.
Каждый оператор образуется из основных элементов в соответствии с
правилами, установленными синтаксисом входного языка.
Все слова входного языка можно разделить на две группы: главные слова
и дополнительные.
Главные – определяют тип переменной, дополнительные – уточняют переменную в случае неоднозначности ее определения.
С помощью главных слов определяют следующие типы переменных:
- геометрические величины и поверхности (Т-точка, ПР-прямая,
ОКР-окружность, ПЛ-плоскость и т.п.);
- стандартные функции (Sin, Cos и т.п.);
- операторы управления (ШПИНД/ВКЛ – включение шпинделя,
УСКПОД - ускоренная подача, ЦИКЛ – вызов постоянного цикла
и т.п.);
- операторы перемещения (ИДИ-начало обработки и т.п.);
- параметры обработки.
Дополнительные слова (модификаторы) обычно используются в качестве
определителей или селекторов (условий выбора). Различают модификаторы
положения геометрического элемента или режущего инструмента (СЛ-слева,
СПР-справа, ХБ-“x - большее” и т.п.), перемещения (ПОЧС- по часовой стрел99
ке, ПРЧС-против часовой стрелки и т.п.), действия (ВКЛ, ВЫКЛ, ОТМЕН и
т.п.) и некоторые другие.
При описании процесса обработки на станках с ЧПУ приходится выполнять
действия с различными объектами – переменными, функциями и т. п. Для
удобства выполнения этих действий вводятся условные обозначения (идентификаторы). Идентификатор присваивается объекту в момент его определения с
тем, чтобы иметь возможность ссылаться на этот объект в случае использования его в последующих операторах. Идентификаторы используют для обозначения простых скалярных и геометрических переменных, индексированных
скалярных и геометрических переменных, обрабатываемого контура, подпрограмм и др. Например, оператор Т1=Т/50,100,80 определяет точку, координаты
X,Y,Z которой соответственно равны 50,100,80. Последующие операторы исходной программы могут обращаться к этой точке, используя индентификатор
Т1.
Описание геометрических объектов на входном
я з ы к е С А П. Язык САП дает возможность определять геометрические
объекты несколькими способами. Например, точка может быть определена либо координатами X, Y и Z, либо пересечением двух прямых, либо как одна из
двух возможных точек пересечения прямой с окружностью и т.д.
Определение геометрического объекта должно всегда предшествовать
любой ссылке на этот объект.
К основным типам геометрических объектов и слов языка системы, определяющих тип этих объектов относятся: точка – Т, вектор – ВЕКТ, прямая – ПР, окружность – ОКР, плоскость – ПЛ, упорядоченное множество точек
– УМТ, обрабатываемый контур – КОНТ и др.
Когда имеется вероятность получения нескольких вариантов решений, то
для выбора приемлемого из них при определении геометрических объектов в
языке САП используют, например, следующие модификаторы:
- ХБ, ХМ, УБ, УМ - устанавливают соотношение указанных координат
(X или Y) двух точек. Использование этих модификаторов равносильно знакам “ > “, “ < “ и означает выбор той точки, координаты которой удовлетворяет требованию;
- СЛ, СПР - указывают положение объекта (слева, справа) относительно
направленной прямой. Они используются в тех случаях, когда необходимо указать, с какой стороны окружности находится одна из двух
возможных точек касания;
- НАР, ВН - указывают относительной положение двух касательных
окружностей (НАР означает, что касание наружное, ВН - что одна из
окружностей целиком находится внутри другой);
- БОЛЬШЕ, МЕНЬШЕ - позволяют выбрать окружность с большим или
меньшим радиусом;
- ПРЛ (параллельно), ПРП (перпендикулярно), УГ (угол), РАСТ (расстояние), ЦТР (центр), ПРС (пересечение), КАС (касание), ХОY
(плоскость ХОY), ПО (по точку, следующую за этим модификатором),
100
- КРУГ (круговое); ЛИН (линейное); РО (координата ρ); РОФИ (координаты ρ, ψ; СЛОЖН (сложное) - определяют вид упорядоченного
множества точек или вид полярных координат.
Для упрощения программирования могут использоваться операторы местной системы координат (МСК), которые дают возможность описывать геометрические объекты в удобной системе координат с последующим автоматическим пересчетом в систему координат детали.
Оператор имеет вид:
МСК / идентификатор матрицы
Оператор МСК служит признаком начала преобразования всех определяемых после него геометрических объектов до оператора МСК/ОТМЕН, который является признаком окончания данного преобразования, т.е. перехода в
основную систему координат (систему координат детали).
Вид преобразования задается соответствующей матрицей, идентификатор которой указан в операторе МСК. Это преобразование может быть любой
комбинацией вращения, параллельного переноса, зеркального отображения,
масштабирования и указывается в операторе МАТР, модификаторы которого
определяют вид матрицы преобразования системы координат:
ВРАЩ XY– вращение в плоскости XOY;
ВРАЩ YZ– вращение в плоскости YOZ;
ВРАЩ ZX– вращение в плоскости ZOX;
МАСШТ – масштабирование;
СДВИГ – сдвиг (параллельный перенос);
ЗЕРК – зеркальное отражение.
Имеется также возможность преобразования траектории движения инструмента с повторением отдельных участков траектории и дополнительными
преобразованиями.
Описание стандартных технологических циклов
м е х а н и ч е с к о й о б р а б о т к и. В САП широко используются постоянные циклы и подпрограммы, представляющие собой функцию станка по выполнению стандартного перехода (операции) в ряде позиций обработки заготовок деталей. К постоянным циклам относятся, например, сверление/центровка,
зенкерование/торцовка, глубокое сверление, резьба, расточка и др.
Постоянный цикл задается командой ЦИКЛ.
Общий вид оператора:
ЦИКЛ / вид обработки , Z , F,
[
]
ММОБ
R
ММИН
,
где вид обработки - один из модификаторов: ТОЧ, СВЕРЛ, РАСТ, МЕТЧИК,
РАЗВ, ФРЕЗ;
101
Z - глубина обработки;
F - величина рабочей подачи;
R - величина перемещения инструмента на ускоренной подаче.
Модификаторы ММОБ и ММИН определяют размерность рабочей подачи в мм/об или мм/мин.
Оператор ЦИКЛ/ВЫКЛ отменяет действие ранее заданного оператора
цикла.
П р о г р а м м и р о в а н и е п о з и ц и о н н о й о б р а б о т к и.
Входной язык системы позволяет задавать абсолютное положение, в которое
должен быть установлен инструмент. Этот принцип перемещения из одного
указанного положения в другое посредством простого прямолинейного движения называется позиционным программированием или программированием “из
точки в точку” и задается с помощью операторов ИЗ, ИДИ и т.п. Эти операторы полностью управляют перемещениями инструментов и не требуют дополнительной информации.
Оператор ИЗ / [координаты начального положения инструмента] задается в исходной программе до первого оператора движения. Выполнение оператора ИЗ не вызывает никакого движения инструмента, а только присваивает
значения координат начальной точки движения.
Оператором ИДИ / [координаты конечной точки движения инструмента]
задается перемещение инструмента из его последнего положения в очередную
позицию без указания траектории.
Движение инструмента по некоторой последовательности точек – упорядоченному множеству точек (УМТ) может быть задано с помощью оператора
ИДИ / [обозначение УМТ]. В результате выполнения этого оператора будет
осуществлено последовательное перемещение инструмента в каждую точку
указанного упорядоченного множества точек по кратчайшему расстоянию.
Для позиционной обработки конструктивного злемента с упорядоченным
множеством точек, представленного на рис.1.42, исходная программа имеет
вид:
ДЕТАЛЬ / наименование
ПОСТР / имя
ОКР1 = ОКР / 110, 0, 70
У1 = УМТ / КРУГ, ОКР1, -90, ПРЧС, РАСТ, 23, ПО, 15
Т1 = Т / 70, -48
Т5 = Т / 150, -48
102
Рис.1.42. Схема типового конструктивного элемента деталей с упорядоченным множеством точек
Т31 = Т / 70, 48
103
Т2 = Т / 110, -70, 150
У2 = УМТ / ЛИН, Т1, Т5, 5
У3 = УМТ / ЛИН, Т31, 7
У4 = УМТ / ПРЛ, У2, У3
ИЗ / 0, 0, 150
ШПИНД / 355, ПОЧС
УСКПОД
ИДИ / Т2
ШПИНД / ВКЛ
ЦИКЛ / СВЕРЛ, 14, 400, ММИН, 127
ИДИ / У1
ИДИ / У4, КРОМЕ, 1,2,4,5,6,10,16,17,18,19,20,26,30,31,32,34,35
ЦИКЛ / ВЫКЛ
ШПИНД / ВЫКЛ
УСКПОД
ИДИ / 0, 0, 150
КОНЕЦ
П р о г р а м м и р о в а н и е к о н т у р н о й о б р а б о т к и. Описание контурной обработки выполняется с помощью оператора КОНТ / [точка
начала контура, элементы контура, точка конца контура]. В случае замкнутого
контура идентификаторы начальной и конечной точек контура совпадают. Индентификатор “элементы контура” определяет траекторию перемещения инструмента из начальной точки в конечную. Элементы обрабатываемого контура могут быть отделены друг от друга модификаторами, указывающими требуемое направление движения инструмента. Так как движение вдоль дуги окружности можно выполнить в двух направлениях, то для указания нужного направления перед индентификатором окружности ставится один из модификаторов ПОЧС, ПРЧС. Если два соседних элемента (прямая и окружность, либо
окружность и окружность) пересекаются в двух точках, то для указания нужной точки пересечения, с которой начинается обработка элемента, перед индентификатором обрабатываемого элемента ставится один из модификаторов
ХБ, ХМ, УБ, УМ.
Оператор автоматического расчета эквидистанты имеет вид:
КОРИН / [СЛ-слева или СПР-справа, величина смещения].
Модификаторы СЛ, СПР указывают, что эквидистанта расположена слева или справа от исходного контура, если смотреть по направлению движения
инструмента. Величина смещения траектории соответствует радиусу инструмента.
Пример разработки исходной программы контурной обработки типового
элемента кулачка, представленного на рис.1.43, приведен ниже.
104
Рис.1.43. Схема типового конструктивного элемента с контурной обработкой
ДЕТАЛЬ / КУЛАЧОК
105
ПСТПР / имя
Т0 = Т / 0, 0
ОКР1 = ОКР / ЦТР, ТО, РАД, 31.5
Т1 = Т / -47.5, 0
Т2 = Т / ОКР9, УГ, 60
Т3 = Т / ОКР9, УГ, -60
ОКР2 = ОКР / ЦТР, Т1, РАД, 70
ОКР3 = ОКР / ЦТР, Т3, РАД, 70
ОКР4 = ОКР / ЦТР, Т2, РАД, 70
ОКР5 = ОКР / УБ, ВН, ОКР3, ВН, ОКР2, РАД, 6
ОКР6 = ОКР / УМ, ВН, ОКР2, ВН, ОКР4, РАД, 6
ОКР7 = ОКР / ХМ, ВН, ОКР4, ВН, ОКР3, РАД, 6
Т4 = Т / -43.5, 0
ОКР8 = ОКР / ЦТР, Т4, МЕНЬШЕ, КАС, ОКР7
ОКР9 = ОКР / ЦТР, Т0, РАД, 47.5
Т5 = Т / УМ, ПРС, ОКР8, ОКР9
Т6 = Т / УБ, ПРС, ОКР8, ОКР9
К = КОНТ / Т5, ПРЧС, ОКР8, ПОЧС, ОКР7, ПОЧС, ОКР3, ПОЧС, ОКР5,
ПОЧС, ОКР2, ПОЧС, ОКР6, ПОЧС, ОКР4, ПОЧС, ОКР7, ПРЧС, ОКР8, Т6
УСКПОД
ИЗ / 0, 0, 100
ИДИ / -43.5, 0, 100
ПРИРАЩ / 0, 0, -100, 240
ШПИНД / ВКЛ
ОХЛ / ВКЛ
ПОДАЧА / 50
КОРИН / СЛ, 2.8
КОРИН / СЛ, 10
ОБРАБ / К
КОРИН / СЛ, 0
КОРИН / ВЫКЛ
ИДИ / Т4
ОХЛ / ВЫКЛ
ПРИРАЩ / 0, 0, 100, 1200
ШПИНД /ВЫКЛ
УСКПОД
ИДИ / 0, 0, 100
КОНЕЦ
Методические подходы описания геометрических объектов и составления исходных программ носят общий характер. Каждая из существующих
САП, имея свои достоинства и недостатки, отличается от других операторами
входного языка, соответствующих установленному в них синтаксису, однако
методические подходы описания геометрических объектов и разработки про106
грамм являются аналогичными описанным выше.
САП входят в состав автоматизированной системы технологической подготовки производства для ГПС. Эту систему необходимо иметь уже на первом
уровне автоматизации ГАУ (рис.1.31).
С учетом особенностей систем управления и технологической подготовки производства САП в условиях ГАУ должна удовлетворять следующим требованиям:
- позволять вести разработку управляющих программ непосредственно
по чертежу детали без наличия технологии;
- предоставлять возможность контроля управляющих программ в процессе их разработки без выхода на станки с ЧПУ;
- предоставлять возможность описания обработки детали минимальным
количеством операторов.
Если чертеж детали выполнен с помощью системы автоматизированного
проектирования, то при разработке управляющих программ используется математическое описание геометрии детали (математическая модель) путем ее
непосредстсвенного восприятия САП. В этом случае рабочее место технологапрограммиста сопряжено с интегрированной САПР более высокого уровня
(системой CAD / CAM).
107
2. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА
ИЗДЕЛИЙ
2.1. Современные направления автоматизации подготовки производства изделий
Серийное производство отличается значительной трудоемкостью работ
по технологической подготовке, вызванной частой сменяемостью объектов
производства и большой номенклатурой изготавливаемых деталей.
При использовании станков с ЧПУ в многономенклатурном производстве с часто меняющейся номенклатурой выпускаемых изделий (станкоинструментальные, экспериментальные, ремонтные производства) машиностроительные предприятия испытывают огромные трудности в технологической подготовке производства. Это вызвано тем, что для разработки УП требуется детальная разработка технологической операции (разбивка на переходы и проходы, расчет величин рабочих и холостых ходов, а также траектории перемещения инструмента). Вместе с тем, в работе технолога-программиста большую
долю занимает нетворческий труд:
- информационно-поисковые работы, к которым можно отнести сбор необходимой информации о станках, сортаменте заготовок, инструменте, приспособлениях, режимах обработки и т.п.;
- расчеты межоперационных припусков, режимов резания. норм времени,
норм расхода материалов и др.;
- работа по оформлению технологической документации.
К творческой работе технолога-программиста относится выбор технологических баз, маршрута обработки, структуры операции, вида технологической
оснастки. Эта работа трудно поддается формализации. Стремление к сокращению длительности цикла подготовки производства привело к разработке маршрутных технологических карт взамен операционных или к разработке только
технологических маршрутов. Однако в этом случае не гарантируется оптимальность технологического процесса обработки и качества изделий, так как
многие вопросы обработки и контроля деталей решаются рабочим-оператором
или мастером, а правильность этих решений определяется их знаниями и опытом.
Одно из важнейших направлений повышения уровня решаемых технологических задач на современном этапе - использование компьютеров для технологической подготовки производства. Концепция использования компьютерных технологий в подготовке производства основана на автоматизации нетворческих работ и сосредоточении труда технолога-программиста на решении
сложных инженерных задач [24, 25]. Технолог должен работать с компьютером в режиме диалога, используя его для выполнения необходимых расчетов.
Такой подход к решению задач технологической подготовки позволяет повысить творческую отдачу технолога.
Наибольший эффект от использования компьютерных технологий можно
105
получить при комплексном решении конструкторских и технологических задач
– использовании интегрированных систем автоматизированного проектирования CAD/CAM. В использовании систем CAD/CAM для решения указанных
задач следует отметить следующие тенденции:
- стремление к высокой степени автоматизации выполняемых работ;
- уменьшение количества входных параметров и сокращение затрат на
подготовку исходных данных;
- рациональное сочетание при проектировании интерактивного и алгоритмического методов путем формализации отдельных шагов при работе в диалоговом режиме;
- высокий уровень интеллектуализации интерфейса;
- широкое использование средств графического построения и контроля.
Проявление этих тенденций выражается в автоматическом расчете геометрии и технологических режимов резания с оптимизацией времени обработки, применении стандартных подпрограмм, использовании принципа интегрированной системы подготовки производства, при котором одни и те же исходные данные используются многократно для решения задач конструирования
различных деталей, разработки техпроцессов, подготовки управляющих программ.
Общая схема интегрированной системы подготовки производства приведена на рис. 2.1. Исходные данные для решения задач конструирования, разработки технологической документации и управляющих программ в таких системах вводятся один раз на первом этапе, а дополнительные данные задаются
проектировщиком при работе в режиме диалога. Преимущество такого подхода
состоит в том, что трудоемкое описание детали производится один раз, а используется многократно. Это позволяет сократить трудоемкость подготовки
исходных данных и уменьшить вероятность появления ошибок субъективного
характера. Использование интегрированных систем CAD/CAM особенно эффективно при подготовке производства и программировании обработки геометрически сложных деталей. Созданию таких систем должны предшествовать
работы по унификации конструктивных решений и упорядочению процессов
конструирования и технологической подготовки. Целесообразно применение
специализированных (объектно-ориентированных) интегрированных подсистем для конструирования, разработки технологии и УП изготовления деталей
однородных технологических групп [16, 18].
Структурная схема системы автоматизированного проектирования и изготовления деталей на станках с ЧПУ приведена на рис.2.2.
В основу систем автоматизированного проектирования и изготовления
деталей на станках с ЧПУ положены алгоритмы, моделирующие мышление
высококвалифицированных конструкторов и технологов-программистов.
106
Проект изделия
Система конструирования
(геометрическое проектирование, простановка
размеров, динамический контроль результатов,
оформление чертежей)
Банк чертежей
Система разработки технологии
(разработка маршрута, проектирование переходов, расчет режимов резания, динамический контроль результатов)
Система подготовки УП
Банк УП
СNC
Cтанок
Рис.2.1. Общая схема структуры интегрированной системы
подготовки производства
107
Проект изделия
Система проектирования и изготовления деталей
Монитор управления
Подсистема формирования технологических
документов
Подсистема
формирования
размеров
Подсистема
геометрического
моделирования
Технологическая
документация
Подсистема
формирования
ИП для САП
Чертеж детали
Пакет САП
УП
СNC
Станок
Распечатка УП
Рис.2.2. Структура системы проектирования и изготовления
деталей на станках с ЧПУ
108
2.2. Автоматизация проектирования и компьютерное моделирование
технологических процессов в интегрированных САПР
2.2.1. И н т е г р а ц и я к о н с т р у к т о р с к и х и т е х н о л о г и ч е с ких систем автоматизированного проектирования
В настоящее время существует большое количество интегрированных
CAD/CAM систем (КОМПАС, T-FLEX, UNIGRAPHICS, CIMATRON и др.), в
которых геометрическая информация из рабочего чертежа детали используется
для автоматизированного программирования обработки на станках с ЧПУ. В
тоже время практически отсутствуют системы, в которых информация из рабочего чертежа детали использовалась бы для автоматизации проектирования
технологии изготовления изделия в целом.
Это обусловлено тем, что в CAD-системах формируется геометрическая
информация, которую весьма сложно интерпретировать в вид, пригодный для
автоматизации проектирования технологии. Кроме того, на структуру и содержание технологических процессов значительное влияние оказывают организационно-технические особенности производства.
Учитывая, что большинство существующих систем машинной графики
имеют интегрированные системы программирования, например, Visual LISP,
VBA, или интерфейс с системами программирования, интеграция конструкторских и технологических задач в САПР может быть решена путем разработки объектно-ориентированных подсистем конструирования [25].
В рамках реализации проекта интегрированной учебно-исследовательской САПР на кафедре "Технология машиностроения" Могилевского машиностроительного института, ныне технического университета, в среде системы
AutoCAD разработана объектно-ориентированная подсистема автоматизированного проектирования деталей типа тел вращения, которая позволяет в процессе создания рабочего чертежа целенаправленно формировать массивы данных необходимых для автоматизированного проектирования технологических
процессов.
В основе подсистемы автоматизированного проектирования деталей лежит принцип декомпозиции изображения детали на элементарные поверхности, комплексы поверхностей и их параметризация. Пример декомпозиции вала
на элементарные поверхности и комплексы поверхностей с параметризацией
основных размеров и технических требований приведен на рис.2.3. Построение
изображений элементарных поверхностей выполняется LISP-функциями по
заданным параметрам поверхности, причем вставка изображения в чертеж детали происходит в виде блока с атрибутами. Пример LISP-функции построения
изображения цилиндрической поверхности приведен на рис.2.4. Формирование
изображений комплексов поверхностей выполняет группа функций построения типовых поверхностей с параметрами. Задаваемые параметры поверхностей или комплексов поверхностей используются функциями, которые автоматизируют нанесение размеров и технических требований на чертеже детали.
109
Рис.2.3. Схема двухуровневой декомпозиции и параметризации изображения вала
При задании параметров поверхности одновременно происходит формирование массивов данных, которые содержат сведения о форме, размерах, точности, качестве обработки отдельных поверхностей. Формируемые в процессе
создания чертежа детали массивы данных необходимы в дальнейшем для автоматизации проектирования технологических процессов. В базе данных файла
рабочего чертежа детали сведения о параметрах поверхности хранятся в виде
скрытых и видимых атрибутов блоков, которые представляют собой изображения типовых поверхностей и их комплексов. Пример рабочего чертежа детали,
созданного в среде автоматизированной подсистемы проектирования тел вращения, приведен на рис.2.5. Подобный подход к автоматизации конструкторского проектирования позволяет повысить производительность труда конструкторов в десятки раз и одновременно автоматизировать подготовку данных,
необходимых для автоматизированного проектирования технологических процессов.
************************************************************
*
Функция построения параметризованного изображения
*
* открытой наружной цилиндрической поверхности с кодом 1 *
************************************************************
(DEFUN 1P (D L TV)
ПАРАМЕТРЫ: D - диаметр поверхности
L - длина поверхности
TV - точка вставки изображения
(SETVAR "CMDECHO" 0) ; Подавление эха команд AutoCAD
(SETQ)
Определение координат точек для построения изображения:
T1 (POLAR TV (/ PI 2) (/ D 2))
T2 (POLAR T1 0 L)
T3 (POLAR T2 (* PI 1.5) D)
T4 (POLAR T3 PI L)
Построение изображения типовой поверхности:
(COMMAND "_PLINE" T1 T2 ""
" PLINE" T4 T3 ""
(SETVAR "CMDECHO" 1) ;Восстановление значения системной переменной
) ; Конец функции построения изображения поверхности с кодом 1
(PROMPT "\n Функция пользователя 1P загружена")
110
Рис.2.4. LISP-функция построения изображения типовой
поверхности по заданным параметрам
Сформированные в процессе конструирования массивы данных используются инвариантной высокоавтоматизированной САПР технологических процессов, созданной в среде системы управления базами данных Microsoft
Access. Исходными данными для автоматизированного проектирования технологического процесса являются сведения о заготовке, детали и ее поверхно
Рис.2.5. - Рабочий чертеж вала созданный в среде объектно-ориентированной
подсистемы автоматизированного проектирования "ВАЛ"
стях. Исходные данные могут быть введены непосредственно технологом на
основе кодирования информации, содержащейся в рабочем чертеже детали,
либо импортированы из файла рабочего чертежа детали в автоматическом режиме. Типовая форма для ввода исходных данных приведена на рис.2.6.
Автоматизированную подготовку данных для проектирования технологии выполняет функция извлечения атрибутов блоков, входящих в изображе111
ние детали и формирования входных массивов САПР ТП, которые отображаются после выполнения функции в карте исходных данных (рис.2.6). Подобный подход к формированию данных для автоматизированного проектирования технологии позволяет свести к минимуму затраты труда технологов на
проектирование технологических процессов. В этом случае в задачи технологов входит только предварительная однократная настройка на условия производства базы данных и базы знаний САПР ТП. Подобный подход к автоматизации проектирования технологических процессов позволяет в сотни раз сократить затраты времени на проектирование технологии. Кроме того, при проектировании технологии в среде СУБД Microsoft Access создаются информационные массивы, содержащие сведения, необходимые для решения множества задач управления производством, которые может решать автоматизированная система управления производством (АСУП).
Рис.2.6. Форма для ввода или импорта исходных данных из чертежа детали при проектировании технологического процесса в среде высокоавтоматизированной САПР ТП
С этой цель в интегрированной системе создана АСУП, которая использует результаты проектирования технологии для решения задач подсистем
"Управление технологической подготовкой производства" (УТПП), "Техникоэкономическое планирование" (ТЭП), "Оперативное управление основным
производством" (ОУОП), "Управление материально-техническим снабжением"
112
(УМТС). Таким образом, в целом решена задача интеграции автоматизированных систем различного уровня и назначения, что позволяет вплотную приблизится к решению задачи внедрения в промышленность безбумажных информационных технологий.
2.2.2. М о д е л и р о в а н и е г е о м е т р и ч е с к о й т о ч н о с т и
механической обработки резанием
В настоящее время в системах автоматизированного проектирования
достаточно высокое развитие получили методы решения задач синтеза технологических процессов, которые позволяют выполнить проектирование структуры технологического процесса в соответствии с требованиями минимизации
затрат на изготовление детали. Используемые при этом методы синтеза опираются на среднестатистические данные качества и точности обработки характерные для отдельных отраслей машиностроения. Оценка эффективности
спроектированного технологического процесса, при данном подходе, базируется на расчете и сравнении технологической себестоимости различных вариантов технологии. Такая методика анализа результатов проектирования не учитывает реальную точность оборудования, средств технологического оснащения, состояния заготовок и других организационно-технических характеристик
конкретного производства а, следовательно, не в полной мере обеспечивает
проектирование оптимальных технологических процессов с учетом требований
к точности детали и фактического технического состояния металлорежущего
оборудования и инструмента.
Существенное повышение качества автоматизированного проектирования возможно при использовании в САПР технологических процессов эффективных процедур анализа, которые позволяли бы оценить качество проектных
решений с учетом технологических характеристик конкретной производственной среды. В современных САПР технологических процессов подобные процедуры анализа результатов проектирования не используются, в тоже время,
процедуры анализа нашли широкое использование в конструкторских САПР
(ЗЕНИТ, COSMOS и др.). Такое состояние процедур анализа при автоматизированном проектировании технологии объясняется отсутствием эффективных
методик разработки моделей процессов обработки, ориентированных на использование современных ЭВМ и соответствующего программного обеспечения.
Разработка способов создания процедур анализа технологических процессов, опирающихся на современное программное обеспечение и высокопроизводительные ЭВМ, и их использование в системах автоматизированного
проектирования технологических процессов позволяет существенно повысить
экономическую эффективность проектируемых технологических процессов и
качество изделий, изготавливаемых по этим технологическим процессам.
Анализ качества механической обработки резанием может быть выполнен на основе моделирования влияния первичных источников погрешностей
113
на различные характеристики точности обработанной поверхности. Последующее суммирование полученных векторов первичных погрешностей в различных точках обрабатываемой поверхности позволяет получить фактическую
форму обработанной поверхности и оценить ее точность по параметрам точности размера, формы, относительного положения, волнистости и шероховатости. Использование геометрического моделирования в среде современных систем машинной графики позволяет решить эту задачу с учетом реальных технологических и конструктивных характеристик технологической системы.
Рассмотрим моделирование параметров геометрической неточности металлорежущего оборудования и их влияние на точность формы валов, обрабатываемых в центрах. В цилиндрической системе координат обработанная поверхность может быть представлена множеством упорядоченных точек принадлежащих поверхности (рис.2.7). Положение этих точек можно задать величиной и направлением соответствующих радиус-векторов Rдij, определяемых
по уравнению:
m
Rдij = R0 − ∑ Δijk ,
k =1
где
R0 - радиус идеального цилиндра;
Δijk - i-ый вектор k-ой первичной погрешности в j-ом сечении вала;
m - множество первичных погрешностей, учитываемых при моделировании.
L
z
Ro
Идеальная
поверхность
ΔL
ij
д
R
y
X
ijk
ΣΔ
Обработанная
поверхность
Множество сечений j
Рис.2.7. Схема задания координат точек, принадлежащих
поверхности, обработанной точением
Погрешность обработки могут быть определена на основе анализа источников первичных погрешностей и геометрических схем их формирования.
Например, погрешность, возникающая в результате смещения заднего центра
114
токарного станка, определяется на основе простой геометрической схемы, приведенной на рис. 2.8.
Величина погрешности в этом случае может быть определена по уравнению:
Δ j = R0 − R j ,
Величина радиус вектора Rij из схемы образования погрешности может
быть определена как
R j = L j ⋅ tgα
Угол α определяется по формуле
α = arcsin
± Hг
, где
L
L - длина заготовки;
Hг - величина смещения заднего центра в горизонтальной плоскости.
L
Rj
Hг
Lj
α
Рис.2.8. Схема образования погрешности обработки при смещении
заднего центра токарного станка в горизонтальной плоскости
Еще одним источником погрешности при обработке на токарных станках
является смещение заднего центра в вертикальной плоскости. Схема образования этой погрешности показана на рис.2.9.
115
z
±Hзцj
Rj
Ось заднего
центра
Ось центров
станка
±Hрj
y
Ri
j
Рис.2.9. Схема образования погрешности обработки при смещении
заднего центра токарного станка в вертикальной плоскости
При продольном точении валов погрешность формы и диаметр обработанной поверхности, связанные со смещением заднего центра, зависят от положения вершины резца относительно оси центров в вертикальной плоскости.
Поэтому при определении погрешности необходимо учитывать величину и направление смещения вершины резца Hp. Исходя из наличия такой взаимосвязи
и схемы образования погрешности (см. рис.2.9), её величина может быть определена по уравнениям.
Δ j = R j − Rij ,
R j = L j ⋅ tgα в ,
α в = arcsin
± Hв
,
L
Нзц j = ± Нв ⋅ tgα в ,
Нр j = ± Нр ⋅ tgα в ,
где
R = R 2 + (± Нзц +.. ± Hр )2 ,
j
ij
j
j
Rij - радиус обработанной поверхности в j-ом сечении вала;
Rj - расстояние от оси центров станка до оси заготовки в j-ом сечении;
Lj - расстояние от левого торца вала до j-ого сечения;
116
αв - угол наклона оси заготовки относительно оси X в вертикальной плоскости;
Нв -смещение заднего центра в вертикальной плоскости;
Нр -смещение вершины резца в вертикальной плоскости;
Нзц - проекция смещения заднего центра на плоскость j-ого сечения;
Нр - проекция смещения вершины резца на плоскость j-ого сечения.
Значительное влияние на отклонение от круглости сечений вала оказывает биение заднего центра e. Погрешность формы поверхности, связанную с
биением заднего центра e, можно определить на основе геометрической модели биения заднего центра, показанной на рис.2.10. Величина погрешности Dij
в точке поверхности цилиндра заданной радиус-вектором Rij, может быть определена по уравнениям:
Δij = Rij − R j ,
R = R2 + E 2 ,
y
ij
z
Py = e / 2 + R y − E y ,
E y = e / 2 ⋅ cosφ ,
E z = e / 2 ⋅ sin φ .
Математические модели первичных погрешностей обработки позволяют
выполнить компьютерное моделирование обработки с использованием программы, которая обеспечивает формирование выходного файла, содержащего
величины радиус-векторов, определяющих координаты точек обработанной
поверхности с заданным шагом. На основе данных, содержащихся в файле,
выполняется визуализация обработанной поверхности путем построения ее
трехмерного изображения. Для этих целей используется трехмерная сеть, узлами которой являются координаты точек обработанной поверхности, вычисленные в программе с определенным шагом. На рис.2.11 показана визуализация
погрешностей обработанной в центрах цилиндрической поверхности в масштабе 1: 500 с использованием трехмерной замкнутой сети.
117
Положение j-ого
сечения вала при
повороте заднего
центра на угол φ
Δ ij
Ry
e/2
Rj
Ez
φ
e/ 2
Rj
Ri j
Траектория движения вершины
заднего центра
Исходное положение j-ого
сечения вала
Ey
Рис.2.10. Схема образования погрешности формы вала вызванной биением
заднего центра токарного станка
Рис.2.11. Пример использования трехмерной сети для моделирования
погрешностей формы цилиндрической поверхности, которые вызваны геометрическими неточностями токарного станка и средств технологического оснащения
118
3. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ ДЛЯ СТАНКОВ С
ЧПУ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ОБРАБОТКИ
После первого этапа технологической подготовки производства, связанного с технологической проработкой чертежей деталей, приступают ко второму, направленному на разработку технической документации, необходимой
для формирования управляющей программы и непосредственной обработки
заготовки на станке с ЧПУ. Указанная техническая документация в себя включает:
- карту наладки;
- операционную технологическую карту;
- схему движения инструмента;
- операционную расчетно-технологическую карту;
- карту программирования;
- чертежи специального инструмента и технологической оснастки.
Карта наладки предназначена для наладки технологической системы на
обработку заготовок на станке с ЧПУ. В зависимости от назначения карта наладки может быть групповой или индивидуальной. Групповая карта наладки
разрабатывается для заготовок, объединенных в частный групповой классификатор, а индивидуальная - для одной заготовки.
Операционная технологическая карта предназначена для подробного
описания технологического процесса обработки каждой конкретной заготовки
на данной операции. В карте указывают наименование и последовательность
переходов, режимы резания, основное и вспомогательное время каждого перехода, номер позиции резцовой головки, режущий инструмент и технологическую оснастку. Запись переходов производится обычным способом, принятым
для описания технологического процесса обработки на станке с ручным управлением. Для каждого перехода назначают параметры режима резания: скорость V, м/мин; подачу S, м/мин; глубину резания t, мм; частоту вращения n,
мин -1; а также указывают длину обрабатываемой поверхности L, мм. Основное время То и вспомогательное Тв рассчитывают с учетом длины и скорости
рабочего и холостого ходов. Длины рабочего и холостого ходов определяют по
схеме движения инструментов, на которой изображаются траектории движения вершин режущих кромок инструментов.
На основе операционной технологической карты и схемы движения режущих инструментов проектируют операционную расчетно-технологическую
карту, которая является исходным документом для составления карты программирования. Содержащуюся в карте программирования информацию записывают с помощью специального устройства на программоноситель в определенном для данной системы ЧПУ коде. Таким образом, завершается разработка
управляющей программы для работы станка с ЧПУ.
На третьем этапе технологической подготовки конструкторские бюро
ОГТ разрабатывают чертежи специального режущего инструмента и технологической оснастки по техническим заданиям технологов, проектирующих тех120
ническую документацию для станков с ЧПУ. При разработке чертежей специального режущего инструмента учитывают конструктивные особенности
штатного режущего инструмента и оснастки, поставляемых со станком. Технические требования на изготовление специального режущего инструмента и оснастки должны соответствовать требованиям, предъявляемым к штатному инструменту и оснастке. Особое внимание следует уделять обеспечению взаимозаменяемости базовых элементов инструмента, оснастки и их соответствию установочным элементам станка. От качества проектирования и изготовления
режущего инструмента и технологической оснастки во многом зависит точность заготовок, обрабатываемых на станках с ЧПУ и автоматическим получением размеров.
Проверка и корректировка технической документации является одним из
важных этапов технологической подготовки. Отклонения формы и размеров,
возникающие при обработке заготовок с использованием станка с ЧПУ, часто
бывают обусловлены ошибками на стадии подготовки программы и погрешностями при настройке и работе станка. Ошибки на стадии подготовки программы возникают в основном при составлении схемы движения инструментов и
заполнении карты программирования. Часть этих ошибок может быть устранена дополнительной проверкой данных, внесенных в карту.
Для выявления крупных ошибок, возникших на стадии разработки
управляющей программы, производят отработку программы на станке без установки инструмента, оснастки и заготовки.
Сравнительно небольшие погрешности, возникающие при настройке и
работе станка и, вызванные неточностью положения на станке режущего инструмента, деформациями технологической системы, температурными деформациями и другими факторами, компенсируются введением коррекции на пульте
ЧПУ. Периодической коррекцией можно также компенсировать размерный износ режущего инструмента. Компенсация погрешностей производится по результатам пробной обработки заготовки или контрольной детали. Эти проверки позволяют установить и устранить не только погрешности, обусловленные
процессом настройки станка и обработки заготовки, но и мелкие ошибки, возникшие на стадии подготовки и изготовления управляющей программы.
Этапы технологической подготовки механической обработки заготовок
на станках с ЧПУ должны выполняться в определенной последовательности.
Разработке технической документации (второй этап) и изготовлению специальной технологической оснастки (третий этап) должна предшествовать классификация заготовок (первый этап). Целесообразно второй и третий этапы подготовки проводить параллельно и планировать завершение работ по этапам в
одни и те же сроки.
3.1. Определение последовательности обработки
Установление последовательности обработки обычно начинают с определения количества установов и позиций заготовки на столе или шпинделе
121
станка, необходимых для полной ее обработки. При этом следует учитывать
особенности конструкции заготовки и технологические возможности станков с
ЧПУ, имеющихся в наличии.
Первый установ, как правило, выбирается из условия наиболее удобного
базирования заготовки на черновые или чистовые базы. При первом установе,
выполняемом от черновой базы, желательно провести обработку всех поверхностей, используемых в качестве технологических баз при последующих установах заготовки. Так, при определении последовательности обработки корпусной заготовки на первом установе следует обработать плоскость и два установочных отверстия, используя фрезерный станок с ЧПУ, имеющий револьверную головку или инструментальный магазин. План дальнейшей обработки заготовки на фрезерных или расточных станках с ЧПУ, либо обрабатывающем
центре можно строить, используя эти поверхности в качестве постоянных технологических баз.
Важной задачей определения последовательности операций является
обеспечение полной обработки заготовки со всех сторон с наименьшим числом
установов и при минимальной технологической оснастке [26]. В процессе разработки схемы последовательности обработки проводится эскизное проектирование приспособлений для базирования и закрепления заготовки на каждом
установе.
После выяснения требуемого количества и последовательности установов определяется последовательность обработки по зонам, образованным конструктивными особенностями заготовки (внутренний и наружный контуры,
окна, крепежные отверстия, приливы и пр.). В каждой зоне выделяются отдельные элементы, для которых устанавливаются вид обработки и требуемые
типоразмеры режущих инструментов.
Отдельные элементы, обрабатываемые одним инструментом, группируются как внутри данной зоны, так и по всем зонам. Такое группирование позволяет выявить количество типоразмеров режущих инструментов для обработки всей заготовки и выяснить возможность обработки всех доступных зон
при данном установе набором инструментов, размещаемых в магазине или револьверной головке станка с ЧПУ, который оборудован устройствами автоматической смены инструмента. В том случае, когда режущий инструмент, необходимый для обработки всех элементов заготовки при данном установе, не
размещается в магазине или револьверной головке станка, необходимо разделить операцию на части, выполняемые на одинаковых установах, либо менять
инструмент вручную с запрограммированным остановом станка.
Последовательность обработки по зонам определяется конструкцией исходной заготовки. При определении последовательности обработки по зонам
следует, где это возможно, придерживаться принципа, обеспечивающего максимальную жесткость заготовки на каждом участке обработки. Так, обработку
корпусной заготовки с ребрами целесообразно начинать с фрезерования торцов
ребер до обработки контура заготовки, так как ребра при этом будут более жесткими. Обработку внутреннего контура заготовки следует производить от
122
центра к периферии.
При точении заготовки, когда последовательность обработки ее частей
ничем не обусловлена, ее следует начинать с более жесткой части и заканчивать зоной малой жесткости.
Последовательность видов обработки внутри каждой зоны может быть
выбрана по опыту обработки заготовок на станках с РУ. Определение последовательности обработки элементов заготовки, находящихся в данной зоне, проводится на стадии проектировании операционного технологического процесса.
Технологическая операция механической обработки заготовки на станке
с ЧПУ в отличие от общего определения понятия технологической операции
ограничена дополнительным условием ее выполнения при одной наладке
станка.
Технологическая операция механической обработки на станке с ЧПУ это часть технологического процесса, выполняемая непрерывно на одном рабочем месте, при одной наладке станка, над одним или несколькими одновременно обрабатываемыми изделиями, одним или несколькими рабочими.
Условия сохранения неизменной наладки станка предполагают возможность использования для выполнения операции одной и той же технологической оснастки и технической документации. Так, при непрерывной обработке
фланца на токарном станке с ЧПУ с переустановом его в трехкулачковом патроне одна операция будет только в том случае, когда не требуется дополнительной наладки станка и имеется единая управляющая программа обработки,
в которой предусмотрены запрограммированный останов для переустановки
заготовки и автоматическая настройка «плавающего нуля», т.е. начало программы.
В противном случай операция разбивается на две: обтачивание фланца и
растачивание отверстия; обтачивание ступицы. В первом случае имеют место
одна операция и два установа, а во втором - две операции по одному установу в
каждой операции. Так же как и при обработке на станках с РУ, все движения,
связанные с выполнением технологической операции на станке с ЧПУ, делят
на основные и вспомогательные. К вспомогательным относятся движения, непосредственно не связанные с обработкой и образованием новых поверхностей. Вспомогательные движения делятся на три вида: врезание, выход инструмента из зоны обработки, холостой ход. В отличие от станков с РУ время
вспомогательного движения является составляющей частью основного времени станка сПУ.
Кроме того, операции механической обработки заготовки на станке с
ЧПУ включают в себя ряд вспомогательных переходов (установка, закрепление
и снятие заготовки, смена инструментов, измерение, изменение позиций, пуск
станка), которые могут проводиться как вручную оператором, так и автоматически по программе в зависимости от модели и степени автоматизации станка.
3.2. Примеры проектирования технологических процессов
Проектирование технологической операции обработки заготовки на то123
карном станке с ЧПУ включает в себя комплекс задач, которые приходится
решать при использовании токарных станков с РУ, а также дополнительных
задач, обусловленных особенностями работы станков с ЧПУ. К числу традиционных задач относятся: выбор схемы базирования и конструкции зажимного
приспособления, установление последовательности обработки поверхностей,
определение числа переходов, выбор модели станка и типоразмеров режущих
инструментов, расчет припусков на обработку, режимов резания и норм времени. К числу новых задач, специфических для использования станков с ЧПУ,
относится создание управляющей программы работы станка с ЧПУ: для этого
необходимо построить траектории движения режущих инструментов и рассчитать координаты опорных точек траектории. Всю полученную информацию
следует занести в операционную расчетно-технологическую карту и затем определённым образом записать в карту программирования геометрические и
технологические параметры, а также необходимые команды по управлению
рабочим циклом станка. На заключительном этапе полученные данные в установленном коде записываются на программоноситель с помощью специальных
устройств. Изготовленную таким образом управляющую программу перед использованием в производственных условиях проверяют и при необходимости
корректируют.
Схема базирования заготовки на станке с ЧПУ должна обеспечивать достаточные устойчивость и жесткость установки заготовки, а также требуемую
точность ориентации заготовки в приспособлении. Это достигается выбором
соответствующих размеров и качеством базовых поверхностей, а также их взаимным расположением. Технологические базы помимо их основного назначения должны удовлетворять требованию смещения направления координатных
осей заготовки с осями координатной системы станка. Удовлетворение этого
требования упрощает программирование и облегчает взаимную увязку “нуля”
заготовки с “нулем” станка.
При обработке заготовки на токарных станках с ЧПУ наибольшее распространение получили две следующие традиционные схемы установки: в центрах и в патроне. Эти схемы по подготовке базовых поверхностей отвечают
требованиям, предъявляемым к установке заготовок на станках с ЧПУ.
Принятая схема базирования определяет конструктивную схему приспособления, которое для станков с ЧПУ предназначено для тех же целей, что и
приспособление для станков с РУ, т.е. для установки заготовки на станке. Однако с целью получения высокой точности обработки в автоматическом цикле
точность приспособлений для станков с ЧПУ должна быть повышена. Более
высокие требования предъявляются и к жесткости приспособлений, используемых на этих станках. Для обеспечения жесткости закрепления заготовки в
кулачковом патроне станка с ЧПУ должна быть предусмотрена достаточная
длина зажимаемой поверхности заготовки, причем наименьшая длина зажима
регламентируется соответствующими нормативами.
На основе этих требований для токарных станков с ЧПУ разработана и
выпускается промышленностью гамма быстропереналаживаемых клиновых
124
патронов типа ПБК с диаметрами 200,250,315 и 400 мм. В качестве механизированных приводов патронов станков с ЧПУ токарной группы используются
пневматические, гидравлические и электромеханические приводы. Для заготовок, устанавливаемых в центрах на токарных станках с ЧПУ, используются
двух и трехкулачковые поводковые патроны с плавающим центром, эксцентриковыми сменными кулачками автоматического действия. Поверхности,
окончательная обработка которых может проводиться проходным или расточным резцом, отнесены к основным. Поверхности, для формообразования которых необходим режущий инструмент, отличающийся oт контурного резца, отнесены к дополнительным. К основным формам поверхностей относятся: торцовые, цилиндрические и конические поверхности, а также поверхности с криволинейной образующей, неглубокие канавки и выточки, которые можно выполнить резцами со вспомогательным углом в плане ϕ1 =27-30°.
Несмотря на разнообразие форм обрабатываемых поверхностей, может
быть установлена следующая общая схема обработки заготовок на токарном
станке с ЧПУ: центрование; сверление; подрезание торца; черновая обработка
основных форм поверхностей; черновая обработка дополнительных форм поверхностей; чистовая обработка этих же дополнительных форм поверхностей;
чистовая обработка дополнительных форм поверхностей, не требующих черновой обработки; чистовая обработка основных форм поверхностей.
При обработке заготовки, установленной в .центрах, первые три перехода следует исключить. В случае обработки заготовки, установленной в патроне,
необходимо соблюдать следующий порядок при работе со сверлом: перед сверлением сверлом диаметром меньше 20мм, ввиду малой жесткости сверла и
возможности его увода, отверстие центруется центровкой или сверлом большего диаметра с углом заточки 60 или 90°.
Общая типовая схема последовательности токарной обработки заготовки
предусматривает и частные случаи, которые зависят не только от наличия тех
или иных форм поверхностей, но и от количества режущих инструментов, которые можно разместить в револьверной головке или магазине станка с ЧПУ.
Для проектирования схемы движения режущих инструментов необходимо построить траекторию рабочих и вспомогательных перемещений инструментов при обработке основных и дополнительных поверхностей. Наибольшую сложность представляет построение рациональной траектории для обработки за несколько ходов, когда наибольшая допустимая глубина резания tпр
меньше припуска на черновую обработку. В этом случае, черновую область заготовки разделяют горизонтальными прямыми на уровни (рис.3.1).
Y
__
Y0
3
125
Черновая область
tпр
__
Y
__0
Y
Y3
III
3
II
Y2
t
2
Y3
1
Y1
0
I
Y1
__
Y
__2
X3
X2
X1 X
Рис.3.1. Схема разделения черновой обработки поверхности
заготовки на уровни
Разделение на уровни производится с учетом tпр. Для этого определяют
припуск для каждой поверхности (зоны) и число ходов инструмента в зоне путем деления припуска на tпр ,с последующим округлением до большего, целого
числа. Определяют глубины черновых ходов инструмента в каждой зоне из условия, что припуск в них разделен равномерно. Затем выбирают наибольшую
глубину резания, которую принимают общей для всех ходов, так как она удовлетворяет условию уменьшения глубины резания без увеличения числа ходов.
Устанавливают ординаты уровней ходов. Черновая обработка заготовки ведется только вдоль уровней.
В результате пересечения горизонтальных уровней Y1,Y2,Y3, с вертикальными границами зон X1,X2,X3 вся черновая область заготовки разделяется
на элементарные участки. В процессе анализа последовательности обработки
этих участков проводится построение траектории рабочих и вспомогательных
перемещений при черновой обработке.
На рис.3.2 приведены три варианта траекторий движения режущего инструмента при черновой обработке ступенчатого валика. При варианте, представленном на рис.3.2а, траектория строится последовательно сверху вниз. В
пределах уровня выбирается весь массив металла. Траектория вершины резца
состоит из отрезков прямых, соединяющих точки 0-4-5-3-6-7-8-9-10-2-11-12126
13-1-14-0.
В варианте, представленном на рис.3.2б, траектория строится таким образом, что в начале цикла проводится обработка участков, не включающих
контур заготовки, а в конце - обработка контура заготовки. Траектория вершины резца проходит через точки 0-4-5-3-7-8-10-2-11-1-12-2-13-3-14-0.
В варианте, представленном на рис.3.2в, траектория строится по зонам.
Внутри каждой зоны последовательно выбирается весь массив металла. Траектория проходит через точки 0-4-5-6-7-8-9-2-11-1-12-5-14-3-6-2-13-3-16-0.
Выбор рационального варианта построения траектории вершины резца
для данного случая зависит от протяженности зон, длины рабочего и холостого
хода, количества уровней, расстояния между уровнями и структуры чернового
контура заготовки. Путем анализа результатов исследований установлено, что
для однородной структуры чернового контура, когда выполняется условие:
Yп>Yп-1>Yп-2>Y2>Y1, построение траектории по варианту б наиболее рационально.
Выбор режимов резания является комплексной технико-экономической
задачей, решение которой заключается в определении комбинации режимов
резания, обеспечивающих минимум затрат на обработку при заданных технических ограничениях. Рациональные режимы резания для токарной обработки
выбирают в зависимости от вида обработки и формы обрабатываемой поверхности с учетом технических ограничений.
При черновой обработке поверхностей (обтачивание наружных и торцовых поверхностей, растачивание внутренних поверхностей) режимы резания
следует назначать, исходя из задачи полного использования возможностей инструмента и станка, так как от черновых проходов инструмента в основном зависит производительность выполнения операции. При многопроходной обработке глубину резания определяют по методике для проектирования схемы
движения режущих инструментов.
Подачу назначают максимально допустимой техническими ограничениями. Такими ограничениями для подачи при черновой обработке являются: жесткость установленной определенным образом заготовки, обрабатываемой на
станке; жесткость резца; прочность державки резца; прочность режущих пластин резца; прочность механизма подачи станка; наибольший крутящий момент; мощность главного привода; предельные минутные подачи на станке. Зависимости для определения подач, допускаемых перечисленными техническими ограничениями, приведены в соответствующей эксплуатационной документации для станков с ЧПУ.
а
Y 7
Ypo
6
127
8
0
__
Y
__0
При обработке стальной заготовки подача, выбранная в соответствии с
техническими ограничениями, корректируется для учета влияния характери128
стики обрабатываемого материала на удовлетворительное формирование
стружки. Поправочный коэффициент К для инструмента с неперетачиваемыми
пластинами твердого сплава выбирают по данным ЭНИМС. Подачу на первый
черновой ход инструмента при наличии биения заготовок по торцу, наружному
диаметру или отверстию на участке входа резца целесообразно снижать на 2030%, чтобы предотвратить сколы режущих кромок.
Скорость резания рассчитывают по формулам теории резания с учетом
экономической стойкости режущего инструмента. Рекомендуемые периоды
стойкости резцов на черновых операциях, выполняемых на станках с ЧПУ, составляют: 35-45 мин - для сборных резцов с неперетачиваемыми пластинами
твердого сплава; 30 мин - для резцов из быстрорежущей стали; 20-35 мин - для
расточных и проходных резцов с напаянными пластинками твердого сплава.
При черновой обработке торцов следует менять частоту вращения шпинделя,
если скорость резания отклоняется от выбранных величин больше чем на 20%.
Режимы резания для чистовой обработки основных форм поверхностей
назначают с учетом требований к шероховатости и точности соответствующих
поверхностей. При этом подачу S, обеспечивающую требуемое утонение заготовки, определяют при однопроходном точении заготовок по формуле
4
⎛ 2.5⎞ 3
4
⎞3
4
⎛ Δ
S = ⎜ ⎟ ⋅ ⎜ заг ⎟ ⋅ j 3 ,
⎝ C0 ⎠ ⎝ Δ исх .заг ⎠
где
Δ заг - допустимая погрешность обработанной
Δ исх .заг - погрешность исходной заготовки;
поверхности заготовки;
j - жесткость технологической системы.
Расчет подачи S, обеспечивающей требуемую шероховатость, производят по соответствующим формулам и таблицам. Установленные подачи не
должны быть меньше наименьшей минутной подачи станка Smin и наименьшей
подачи, обеспечивающей стабильность процесса резания.
Рекомендуемые периоды стойкости для черновых и чистовых резцов
совпадают. Допускаемый износ для неперетачиваемых пластин и резцов с напаянными пластинами твердого сплава - 0,4-0,6 мм, для резцов из быстрорежущей стали - 0,5 мм.
Запись технологической и геометрической информации, необходимой
для разработки управляющей программы, а также данных, используемых для
настройки станка с ЧПУ, проводится в специальных формах технической документации. Основной формой технологической документации, в соответствии
с действующим стандартом, является операционная расчетно-технологическая
карта (РТК), предназначенная для ручного метода разработки управляющих
программ обработки заготовок деталей на станках с ЧПУ. Стандартом допускается использование операционной карты механической обработки. В РТК
для токарной операции указываются: номер цеха, в котором выполняется операция; номер участка; номер операции по маршрутной карте; наименование
129
операции; модель станка; тип системы ЧПУ; номер программы; номер базовой
или опорной точки; направление перемещения; координаты базовой или опорной точки либо приращения и импульсы; подача; частота вращения; направление вращения шпинделя; номер корректора с указанием оси перемещения; технологические команды.
Кроме рассмотренных форм, официально установленных стандартом,
для наладки станка с ЧПУ в производственных условиях используют карту наладки произвольной формы, а при составлении РТК, для обработки заготовок
повышенной сложности, как правило, вычерчивают схему движения режущего
инструмента.
В качестве примера на pис.3.3 приведена схема движения канавочного
(рис.3.3,а) и упорного (рис.3.3,б) резцов при черновой обработке траверсы за
два установа в соответствии с операционным эскизом, приведенным на рис.3.4
Учитывая, что черновой контур данной заготовки имеет однородную структуру, при построении схемы принимается второй вариант траектории движения
резца при черновой обработке ступенчатого вала (рис.3.2).
Принимая из условий виброустойчивости глубину резания t=3 мм, определяют подачу S и скорость V .
Схему движения инструментов вычерчивают в масштабе 10:1 или 5:1 на
миллиметровой бумаге. Сплошными линиями указывают рабочие движения, а
штриховыми - холостые. Последовательно расположенные опорные точки, в
которых происходит изменение направления движения инструмента или режимов резаная (либо и то и другое), обозначают арабскими цифрами с числовым индексом. Цифра соответствует номеру опорной точки, а индекс - номеру
инструмента в резцовой головке. Направление движения указывается стрелкой.
Опорные точки, в которых происходит изменение направления движения инструмента, называют геометрическими опорными точками, а точки, в которых
изменяется режим резания - технологическими. При построении схемы движений инструмента желательно совмещение геометрических и технологических
опорный точек.
Схема движения инструментов предназначена для учета всех без исключения перемещений инструментов как по величине, так и по направлению. Если в обработке заготовки участвуют от одного до трех инструментов при небольшом количестве опорных точек, то вычерчивают общую схему для всех
инструментов. При большем числе инструментов и значительном количестве
опорных точек следует вычерчивать схему движения для каждого инструмента
отдельно. С целью избежания ошибок рекомендуется схему движения режущих инструментов составлять одновременно с расчетно-технологической картой.
В карте наладки содержатся все сведения, необходимые при наладке
станка на конкретную операцию. По карте производятся установка заготовки
130
а
б
Рис.3.3. Схемы движения инструментов при обработке
канавочным (а) и упорным (б) резцами
Рис.3.4. Операционный эскиз черновой обработки заготовки траверсы
131
на станке и режущих инструментов в резцовой головке или магазине, закрепление блоков коррекции положения инструментов, устанавливается порядок
смены инструментов вручную и изменения положения заготовки.
Карта наладки состоит из графической части и таблицы. В графической
части изображают эскизы заготовки после обработки на каждом установе, схему базирования и закрепления заготовки на станке и схему размещения инструментов в резцовой головке. На эскизах указывают размеры и шероховатость
обрабатываемых поверхностей. На схеме установки указывают взаимное расположение нулевых точек станка и заготовки и основные рамеры заготовки. На
схеме размещения инструментов отмечают координаты положения вершин инструментов по осям Z и Х и порядок расположения инструментов в резцовой
головке.
В табличной части приводят данные по исходной заготовке, режущему
инструменту, технологической оснастке; указывают материал, род и основные
размеры исходной заготовки; шифр и материал режущей части инструмента;
номер корректора, закрепленного за инструментом; наименование и шифр технологической оснастки. Для каждого установа заготовки приводят численные
значения координат вершин инструментов по осям Z и Х и наладочные размеры. Данные о используемом режущем инструменте записывают в строгой последовательности вступления инструмента в работу. Кроме указанных сведений в карту наладки включают наименование и номер чертежа детали, модель
и номер станка, номер программы. Карты наладки для различных токарных
станков с ЧПУ могут отличаться как по форме, так и по содержанию. Вид карты зависит от конструктивных особенностей и технологических возможностей
станка с ЧПУ. Однако основные положения относительно оформления карты
наладки, рассмотренные выше, являются общими и приемлемыми для различных типов станков.
Необходимые данные для механической обработки заготовки на станке с
ЧПУ с разработанной технологической документацией переносятся технологом-программистом в зашифрованном виде в карту программирования. По карте программирования оператор вводит управляющую программу, которая проверяется в производственных условиях и при необходимости корректируется.
Проверку программы проводят последовательно в несколько этапов. В
начале программа отрабатывается на станке без установки инструмента, оснастки и заготовки. Затем устанавливаются оснастка и инструмент и проводится
пробная обработка заготовки. На заключительном этапе окончательно обрабатывается контрольная заготовка.
В процессе контрольной обработки могут быть обнаружены недопустимые отклонения размеров, формы и шероховатости поверхностей заготовки,
обусловленные как ошибками, возникающими на различных этапах разработки
программы, так и погрешностями механической обработки и управления станком. Численные величины этих погрешностей невозможно определить на этапе
разработки программы. Если отклонения небольшие, то программа не
132
перерабатывается, а возникшие неточности разработки программы или погрешности управления и механической обработки компенсируются путем введения соответствующих коррекций, вводимых с пульта системы ЧПУ.
При больших отклонениях необходимо тщательно проверить все расчеты
и принятые технологические решения, чтобы убедиться, что ошибки при разработке программы исключены; затем посредством анализа результатов или
эксперимента следует определить причины возникающих погрешностей и устранить их технологическими или техническими средствами. К числу технологических средств могут быть отнесены: изменение режимов резания, геометрии
инструмента и материала режущего лезвия; улучшение отвода тепла из зоны
резания; изменение последовательности обработки отдельных поверхностей и
т.п. В качестве технических могут быть использованы средства по устранению
дефектов и повышению надежности отдельных элементов и узлов станка и
системы ЧПУ, а также средства по увеличению жесткости составляющих технологической системы.
На основании операционной карты механической обработки и схемы
движения режущих инструментов составляют операционную расчетнотехнологическую карту с операционным эскизом. Вся полученная технологическая документация с привлечением паспортных данных станка используется
для проектирования карты настройки.
3.3. Обработка фрезерованием
Общая последовательность проектирования операционного технологического процесса обработки на фрезерных станках и токарных станках с ЧПУ в
основном аналогична, однако из-за особенностей обработки содержание отдельных этапов существенно меняется. К таким особенностям относятся: конфигурация обрабатываемых заготовок; использование многолезвийного инструмента, в том числе фрез, которые, как правило, не поставляются со станком;
изменение характера обработки и рабочих органов станка; программирование
перемещения центра фрезы; управление по трем координатам при обработке
пространственного контура заготовки.
На фрезерных станках с ЧПУ целесообразно обрабатывать заготовки относительно сложной конфигурации, отдельные поверхности которых ограничены
плоским или пространственным криволинейным контуром. Базирование таких
заготовок проводится по трем взаимно перпендикулярным плоскостям или по
плоскости и двум точным отверстиям. Схема базирования заготовки в значительной степени определяет конструкцию установочных элементов приспособления. Приспособление, используемое на фрезерном станке с ЧПУ, должно
быть ориентировано вместе с закрепленной на нем заготовкой на столе станка с
учетом особенностей контура обрабатываемой заготовки и увязки положения
заготовки с исходной точкой обработки и с осями координат станка. Сущест133
вует несколько основных способов ориентации приспособления на столе станка.
Первый способ ориентации с помощью координатной плиты, имеющей
базовые отверстия и жестко закрепленной на столе станка, получил распространение в серийном производстве. Приспособление, используемое при такой
ориентации, снабжено фиксирующими штырями. Преимуществами данного
способа являются возможность быстрой смены приспособления на столе станка и упорядоченность размещения заготовок, позволяющая обеспечить равномерность износа ходовых винтов подач и направляющих.
Второй способ предполагает ориентацию приспособления на столе станка
с фиксацией по центральному отверстию стола и продольному пазу. Приспособление снабжено центрирующим штырем и шпонкой. Установка инструмента в исходную точку проводится с помощью специального установа, закрепленного в корпусе приспособления.
Третий способ заключается в ориентации приспособления на столе станка
по центральному продольному пазу стола с использованием двух шпонок, при
этом необходимо наличие дополнительного упора на столе станка, фиксирующего положение приспособления в продольном направлении. Установка инструмента в исходную точку проводится, как и при предыдущем способе. Последние два способа получили широкое распространение в мелкосерийном
производстве.
Существенным требованием, способствующим повышению эффективности
работы на станках, является обеспечение максимальной жесткости технологической системы. Это достигается уменьшением высоты точки, к которой приложено усилие резания, над плоскостью стола путем использования элементов
приспособления (подводимых опор, дополнительных прижимов), увеличивающих жесткость обрабатываемых заготовок, а также обеспечением минимальной высоты элементов приспособления, выступающих над заготовкой, с
целью уменьшения длины и увеличения жесткости концевой фрезы.
Для закрепления заготовок с небольшим циклом обработки целесообразно в приспособлениях использовать быстродействующие зажимы с механизированными пневматическими и гидравлическими приводами. В этих случаях
сокращение вспомогательного времени позволяет повысить эффективность использования станков с ЧПУ. Обеспечение стабильности усилий зажима заготовок в этом случае приводит к повышению стабильности выполняемых размеров. Наиболее распространенным режущим инструментом, применяемым для
обработки на фрезерных станках с ЧПУ заготовок широкой номенклатуры, являются концевые фрезы. Выбор режущего инструмента для конкретной операции зависит от формы обрабатываемых поверхностей и условий обработки.
Так, для улучшения выхода стружки при обработке глубоких глухих колодцев
необходимо увеличивать угол наклона спирали сверла. При обработке тонких
плоских заготовок следует использовать праворежущие фрезы с левой спиралью и леворежущие с правой спиралью, так как осевая составляющая силы резания прижимает заготовку к столу станка, улучшая условия обработки. Для
134
уменьшения вибрации при обработке заготовки зубья фрезы располагают несимметрично (рис.3.5,а). Жесткость режущей части фрезы можно повысить,
увеличив сечение сердечника либо применив конический сердечник, как показано на рис.3.5, б. Для сохранения жесткости фрезы при значительном вылете и
небольшой длине режущей части предусматривается усилительный конус
(рис.3.5,в). При обработке наклонных стенок используют различного вида конические концевые фрезы (рис.3.5,г), параметры которых определяются конструкцией заготовки. Концевые радиусные фрезы (рис.3.5,д) используют при обработке пространственных поверхностей методом «строчечного фрезерования».
Выбор режущего инструмента для выполнения операции на фрезерном
станке с ЧПУ проводится поэтапно. Вначале выявляют виды инструментов,
необходимых для обработки заготовки на данной операции. Затем определяют
технологические параметры каждого вида инструмента: материал режущей
части, углы заточки режущих кромок, количество зубьев и пр. На заключительном этапе выбирают конструктивные параметры режущего инструмента:
диаметр фрезы, длину режущей части, вылет фрезы, радиус заточки торца фрезы, наклон спирали, направление спирали, расположение зубьев и др.
б
а
в
г
д
Рис.3.5. Параметры и форма концевых фрез для станков с ЧПУ
Число и последовательность технологических переходов при фрезеровании на станках с ЧПУ зависят от количества и конфигурации зон, от требований к точности расположения поверхностей как внутри зоны, так и между
135
зонами, а также требований к шероховатости поверхностей, образующих зоны
обработки.
Определение рациональной траектории рабочих перемещений инструмента при фрезеровании является
наиболее трудной проблемой при
разработке операционного технологического процесса на станках с
ЧПУ. Характер траектории зависит
от вида зоны, способа фрезерования
и типа инструмента. Зоны по доступности обработки делят на закрытые (типа “глухих колодцев”); полуоткрытые, обработка которых
производится торцом и цилиндром
концевой фрезы, и открытые, которые могут быть обработаны цилиндрической частью концевой фрезы.
На основании расчетов координат опорных точек и режимов резания, а также принятых технических
решений составляют операционную
расчетно-технологическую
карту
(РТК), отличающуюся от РТК на то- Рис.3.6.Схема движения концевой фрезы при обкарную операцию дополнительной
работке контура фланца на вертикальнофрезерном станке с ЧПУ
графой для координаты Z. Расчетнотехнологическая карта является исходным документом для составления карты программирования, по которой, в
свою очередь, составляют управляющую программу работы станка. Разработанная управляющая программа перед внедрением ее в производство проходит
серию проверок, содержание которых, а также методика их проведения для токарных и фрезерных станков с ЧПУ по существу аналогичны.
На рис.3.6 представлена схема движения концевой фрезы D=30 мм при
обработке контура фланца (фрезерование шести выемок с R=15 мм 2-8-14-2026-32 и шести прямоугольных выемок с R=15 мм 5-11-17-23-29-35 в углах) на
вертикально-фрезерном станке с ЧПУ. При той же операции с помощью 2-го
шпинделя головки выполняется центрирование шести отверстий d=13 мм 3848-54 и т.д. и шести отверстий под резьбу 39-49-47 и т.д.; с помощью 3-го сверление шести отверстий d=13 мм 62-87-66 и т.д.; с помощью 4-го - зенкерование шести отверстий d 19х12 мм 63-73-72 и т.д.; с помощью 5-го - сверление
шести отверстий d=5 мм под резьбу М6 на глубину 20 мм 50-55-54 и т.д. и с
помощью шестого шпинделя проводится снятие фасок 1х45° отверстий d=5 мм
56-61-60 и т.д.
До внедрения в производство станка с ЧПУ перечисленная работа вы136
полнялась за три операции (1-я - разметка наружного контура; 2-я - фрезерование шести выемок с R = 15 мм и шести угловых выемок с R=15 мм; 3-я - сверление и зенкерованне шести отверстий d=13 мм и d=19 мм по контуру), причем
сверление шести отверстий и нарезание в них резьбы М6 проводились на сборке. Общая трудоемкость обработки по этим операциям более чем в три раза
превышала трудоемкость обработки на фрезерном станке с ЧПУ.
Затраты времени на неавтоматизированную разработку технологического
процесса обработки заготовок, содержащих плоский криволинейный контур,
на фрезерных станках с ЧПУ сравнительно невелики. Однако выбор рациональной траектории режущего инструмента при обработке пространственной
зоны является сложной математической задачей. Определение числа и координат геометрических опорных точек практически осуществимо только с помощью ЭВМ. Методы расчета рациональных режимов резания при пространственном фрезеровании недостаточно разработаны. Разработка управляющих
программ для фрезерования заготовок, содержащих закрытые, полуоткрытые и
открытые пространственные зоны, проводится на ЭВМ с помощью систем автоматической подготовки программ.
3.4. Особенности обработки заготовок на обрабатывающих центрах
В ы б о р к о н с т р у к ц и и и т и п о р а з м е р а о б р а б а т ыв а ю щ е г о ц е н т р а. Многообразие конструкций и высокая стоимость обрабатывающих центров требуют от технолога особого внимания к выбору конструкции обрабатывающего центра, так как от его правильности зависят не
только точность и производительность обработки, но и ее экономическая эффективность. Естественно, что основными критериями для выбора оборудования являются габаритные размеры обрабатываемых заготовок, требуемая точность обработки и ее сложность.
Анализ возможностей обработки корпусных заготовок на обрабатывающих центрах, проведенный над 2000 чертежей деталей станкостроительной, автомобильной, тракторной, приборостроительной и частично авиационной отраслей промышленности, показывает, что 80% заготовок требуют выполнения
большого числа операций, при осуществлении которых необходимое количество инструментов достигает нескольких десятков. Использование обрабатывающих центров в данном случае представляется весьма целесообразным. Анализ показал, что 18% общего количества пригодных для обрабатывающих центров заготовок требуют обработки с одной стороны; 32% заготовок - с двух,
трех и четырех сторон, что возможно при повороте заготовки вокруг одной
оси, т.е. при наличии поворотного стола; 35% заготовок - с пяти, шести и семи
сторон, что возможно при повороте заготовки вокруг двух осей, т.е. при наличии глобусного стола; 15% заготовок - с шести, семи и восьми сторон. Во всех
случаях одна плоскость заготовки, по которой проводится базирование, недоступна для обработки, поэтому ее невозможно полностью обработать на одной
операции при одном установе.
137
Существенное значение для выбора модели обрабатывающего центра имеет
конструктивное оформление заготовки, в частности взаимное расположение
обрабатываемых поверхностей, их форма, определяющая возможность обработки на проход или требующая дополнительного врезания инструмента, либо
обработки по контуру. Статистический анализ заготовок деталей машин показывает, что 78% плоскостей являются открытыми и могут быть выполнены
сквозным однопроходным фрезерованием, для 8% заготовок требуется обработка по контуру или по двум (либо трем) направлениям перемещения инструмента и для 14% требуется обработка внутренних поверхностей. Анализ показывает, что обработку 42% заготовок необходимо проводить в параллельных
плоскостях, 43% заготовок - в перпендикулярно расположенных поверхностях
и у 15% заготовок плоскости расположены наклонно друг к другу.
Степень сложности и стоимость обрабатывающего центра, а следовательно,
и себестоимость обработки заготовок с его помощью в значительной степени
зависят от количества гнезд в инструментальном магазине станка. В связи с
этим при выборе модели обрабатывающего центра очень важно предварительно определить количество инструментов, которые фактически потребуются
при обработке заготовок по проектируемому технологическому процессу. Анализ технологических процессов обработки большого числа корпусных заготовок различных машин и приборов показал, что для изготовления каждой из них
требуется от 4 до 48 инструментов. При этом было установлено следующее
распределение заготовок по их потребности в инструментах:
Число различных инструментов,
используемых при обработке заготовки,
не более, шт.
Количество заготовок, %...
..10 20 30 40 50
18 50 17 10 5
Известно, что 85 % заготовок могут быть обработаны на обрабатывающих
центрах с емкостью инструментального магазина до 30 инструментов. В других отраслях промышленности могут встретиться более сложные корпусные
заготовки, требующие значительно большей емкости инструментальных магазинов, достигающей 100 и более гнезд. Подобные обрабатывающие центры
разработаны отечественной и зарубежной промышленностью, однако они
имеют высокую стоимость. Так, при обработке заготовки, требующей по своей
конструкции 15 инструментов и максимальных перемещении 400х400х800 мм,
на большой модели обрабатывающего центра с магазином на 120 инструментов
и перемещениями 800х800х1200 мм себестоимость обработки оказывается на
30% выше, чем при использовании обрабатывающего центра, имеющего магазин на 20 инструментов,
Таким образом, для достижения наибольшей экономичности обработки заготовок деталей необходимо по возможности использовать простейшие и наиболее дешевые модели обрабатывающих центров, технологические возможности которых ограничиваются реальными требованиями обработки конкретных
заготовок.
138
В ы б о р т е х н о л о г и ч е с к и х б а з. Стремление к возможно более
полной обработке поверхностей корпусных заготовок сложной формы на одном станке при одном закреплении заготовки, характерное при использовании
обрабатывающих центров, накладывает свои ограничения на выбор контактных технологических баз. Первостепенной задачей, возникающей при выборе
контактных баз и мест крепления заготовки, является создание условий доступности подхода инструментов ко всем поверхностям, подлежащим обработке. Если возможна полная обработка заготовки за одну операцию при одном ее
закреплении, то контактными базами должны быть необрабатываемые поверхности. При необходимости обработки заготовки с шести сторон и невозможности ее полной обработки за одну операцию, выбор контактных баз должен
осуществляться из условия такой концентрации переходов, которая позволит
выполнить полную обработку заготовки на обрабатывающем центре за минимальное число операций или установов.
При отсутствии условий крепления заготовки по необрабатываемым поверхностям иногда используют ложементы из алюминиевых сплавов или эпоксидных смол. Если это невозможно, то целесообразно полную обработку заготовок выполнять на обрабатывающем центре не более чем за две операции. В
первой операции следует выполнять обработку базовых поверхностей и поверхностей, получение которых возможно при том же креплении заготовки, во
второй - обработку всех остальных поверхностей. В некоторых случаях первоначальную обработку базовых поверхностей выполняют на обычных станках, а
всю последующую обработку - на обрабатывающих центрах. Крепление заготовок по необрабатываемым поверхностям должно обеспечивать постоянство
их положения относительно начала координат, для того чтобы осуществить
равномерное распределение припуска на каждой обрабатываемой поверхности.
Наряду с доступностью обработки, выбор контактных базовых поверхностей и методов закрепления заготовки должны обеспечить: надежную устойчивость заготовки и нечувствительность к возмущающим силам резания; отсутствие деформации заготовки в процессе закрепления и обработки; постоянство положения устанавливаемых на станке заготовок относительно начала
системы координат. В отличие от обработки заготовок на универсальных и
специальных станках, при которой базовыми поверхностями осуществляется
не только ориентация заготовки относительно режущих инструментов и направления их перемещения, но и обеспечивается точность выполнения размеров от этих баз, при обработке заготовок на обрабатывающих центрах точность взаимного расположения обрабатываемых поверхностей мало зависит от
выбранных контактных базовых поверхностей. При этом отсчет размеров осуществляется от начала системы координат, с которой связывается одна из поверхностей заготовки, часто являющаяся настроечной базой. Все размеры и
точность взаимного расположения поверхностей обеспечиваются станком по
командам ЧПУ.
В качестве технологических баз при обработке заготовок на обрабатывающих центрах стремятся использовать конструкторские или сборочные базы за139
готовки, т.е. придерживаются принципа совмещения баз. При установке заготовок на обработанные поверхности для их базирования используют обычные
сочетания контактных баз (установочная, направляющая и опорная базы или
установочная база — плоскость и два отверстия). При установке заготовок на
необработанные поверхности в качестве контактных технологических баз можно использовать необработанные поверхности контура или поверочные технологические базы, которыми служат линии разметки осей и центров, соответствующие положению конструкторских баз заготовок.
Совмещение систем координат станка, приспособления и обрабатываемой
заготовки, последовательность обработки различных поверхностей заготовки
на обрабатывающих центрах, обеспечение требуемых перемещений рабочих
органов станка, длин хода инструмента, межосевых расстояний, позиционирования, расстояния между плоскостями, расстояния осей отверстий от базовых
плоскостей и так далее осуществляются по командам ЧПУ. Весь отсчет размеров в процессе обработки ведется от начала отсчета, принятого на станке, т.е.
начало системы координат. Для обеспечения требуемых размеров заготовки
необходимо при ее установке совместить начало отсчета размеров у заготовки
с началом отсчета размеров станка. В связи с этим система простановки размеров заготовок должна совпадать с системой отсчета размеров на станке.
При работе на обрабатывающих центрах различают три системы координат
и три начала отсчета. Начало первой системы координат связано с фиксацией
крайних положений рабочих органов станка. В этом положении нульиндикаторы системы отсчета регламентируют начало отсчета перемещений. От
этого начала или нуля отсчета определяется положение рабочих органов, если
информация о нем потеряна, например, вследствие непроизвольного выключения напряжения питания.
На рис.3.7 показаны схемы определения положений начала системы координат. При вращении двигателя М и соединенного с ним винта перемещается
стол (рис.3.7,а).
На втором конце винта укреплен датчик 1, фиксирующий изменение положения стола. На боковой поверхности стола находится упор, а на салазках—
два конечных выключателя. Конечный выключатель 2 блокирует и отключает
систему, когда стол доходит до предельного положения, а выключатель 3 отключает систему, когда датчик 1 займет нулевое положение, т.е. зафиксирует
начало отсчета. От этого положения (рис.3.7,б) определяют расстояния до установленных на столе опорных устройств, служащих для базирования заготовки.
Установка опорных и установочных базирующих элементов приспособлений осуществляется на столе станка по Т-образным пазам (рис.3.7б,в). Их располагают так, чтобы заготовка находилась в средней части рабочей поверхности стола, удобной для обработки. После установки и крепления базирующих
элементов 4 и 5 перемещают стол в крайнее поперечное положение, при котором нуль-индикатор отсчетной системы покажет начало отсчета — начало
140
б
а
в
г
д
е
Рис.3.7. Схема определения положения начала системы координат:
а - схема перемещения стола; б - положение стола при начале отсчета; в - установка базирующих элементов на столе; г - измерение расстояния между оправкой и опорной поверхностью установочного элемента; д - крайнее продольное положение стола; е — система координат, образованная положением установочных элементов приспособлений
координатной оси Y для станков с вертикальным шпинделем и оси Z для станков с горизонтальным шпинделем.
В шпиндель станка устанавливают оправку 6, диаметр которой d точно
измерен. Далее индикаторной скобой или индикаторным штихмассом измеряют расстояние между оправкой 6 и опорной поверхностью 4 установочного
элемента, т.е. размер у - d/2 (рис.3.7,г). Затем стол перемещают в крайнее продольное положение, при котором нуль-индикатор отсчетной системы покажет
141
нуль по оси Х (рис.3.7,д). Измеряют расстояние между опорной поверхностью
5 установочного элемента и оправкой 6 в шпинделе, т.е. х— d/2. Величины измеренных расстояний от оси шпинделя до опорных поверхностей (например, х
= 253,458; у = 126,231) определяют нуль отсчета, по которому будет введена
информация при настройке ЧПУ.
Введя в отсчетную систему ЧПУ смещение нуля отсчета (коррекцию
размеров): х = —253,458 и у = 126,231, получаем что нуль отсчета будет соответствовать положению оси шпинделя, совмещенному с началом системы координат, образованной положением установочных элементов приспособления
(рис.3.7,е). Если начало отсчета системы координат у заготовки выбрано от ее
опорных поверхностей, то это будет второй системой координат, принятой при
обработке заготовки. Если же координаты отсчитываются по приращениям,
например от оси отверстия, то в систему ЧПУ вновь вводят коррекцию размеров на расстояния от опорных поверхностей заготовок до оси отверстия, указанные на чертеже. В этом случае точка на оси отверстия будет началом третьей системы координат.
О б р а б о т к а о т в е р с т и й к о н с о л ь н ы м и н с т р у м е нт о м б е з н а п р а в л я ю щ и х в т у л о к. Процесс обработки на обрабатывающих центрах осуществляется, как правило, без специальной оснастки,
и в основном при этом используют стандартные принадлежности к станку.
Растачивание основных отверстий и сверление крепежных отверстий производят, не используя расточные приспособления, кондукторы и кондукторные
втулки. Все параметры точности заготовки обусловливаются точностью станка,
инструментов и точностью исполнения команд ЧПУ.
Для повышения точности обработки, уменьшения увода и отжатия инструменты должны быть жесткими, т.е. максимально короткими. В связи с этим
растачивание отверстий, лежащих на одной оси и расположенных в нескольких
параллельных стенках, приходится выполнять с двух сторон, осуществляя поворот стола с заготовкой.
Как правило, обрабатывающие центры имеют один инструментальный
шпиндель, поэтому обработка поверхностей выполняется последовательно, без
совмещения переходов. Работа без кондукторных втулок при наличии одного
шпинделя позволяет растачивать отверстия с малыми межосевыми расстояниями и близкими осями в одной операции и при одном установе заготовки.
Выделение тепла при работе одним инструментом значительно меньше, чем
при многоинструментной обработке, поэтому тепловые деформации заготовки
ниже, чем при обработке на продольно-фрезерных и агрегатных станках.
Во избежание увода сверл на обрабатывающих центрах перед сверлением производят центрование короткими центровыми сверлами. Оставшийся
след центрового сверла после сверления служит фаской, облегчающей врезание метчика при нарезании резьбы. Общепринятый технологический процесс
обработки крепежных отверстий - сверление, растачивание фаски, нарезание
резьбы - несколько изменяется: центрование и растачивание фаски, сверление,
нарезание резьбы.
142
Первый проход при обработке отверстий в литых заготовках необходимо
выполнять растачиванием резцом, установленным в борштанге. Неравномерность снимаемого припуска при первом ходе вызывает отжим и увод инструмента. Если первый проход выполняется зенкером, то вследствие неравномерного припуска радиальная и тангенциальная составляющие силы резания, возникающие на каждом лезвии инструмента, неодинаковы и под действием равнодействующей этих сил происходят смещение и увод инструмента, а следовательно, смещается и ось обрабатываемого отверстия относительно требуемой
координаты. При этом диаметр отверстия остается неизменным. Последующая
обработка отверстия многолезвийными инструментами не может полностью
изменить положение оси.
При растачивании отверстия резцом вследствие неравномерности припуска непрерывно изменяется сила резания, действующая на лезвие, что приводит к смещению резца относительно оси. Расточенное отверстие не будет
иметь круглой формы, но увод и смещение оси будут значительно меньше. Последующее растачивание отверстий полностью восстанавливает требуемое положение оси. Для уменьшения радиальной составляющей силы резания при
зенкеровании рекомендуется использовать зенкеры с торцовыми режущими
лезвиями, так как возникающие в этом случае осевые силы меньше деформируют стержень инструмента или борштангу и вызывают меньшее отклонение и
увод оси.
При обработке отверстий в литых заготовках большого диаметра первый
рабочий ход целесообразно выполнять фрезерованием концевыми фрезами по
контуру отверстия. Неравномерный припуск, обусловливающий изменяющуюся по окружности отверстия силу резания, вызывает лишь незначительное
смещение жесткого инструмента относительно оси отверстия, соответственно
искажая его форму. Последующий переход должен быть выполнен растачиванием, при котором устраняются погрешности формы и увод оси отверстия.
Выбор последовательности обработки отверстий в корпусной заготовке,
имеющей большое число отверстий расположенных с разных сторон и обрабатываемых с различной точностью, имеет большое значение для производительности операции, выполняемой на обрабатывающем центре. Эта последовательность устанавливается исходя из принципа выбора кратчайшего пути перемещений узлов станка.
Общая трудоемкость обработки всех отверстий заготовки по различным
схемам, а следовательно, и последовательность обработки отверстий, обеспечивающая наибольшую производительность обработки, должны определяться
соответствующими расчетами затрат времени при каждом возможном варианте
обработки.
Время обработки на обрабатывающем центре суммируется из времени,
затрачиваемого на установку и снятие заготовки; суммарного машинного времени обработки всех поверхностей; времени, затрачиваемого на подвод, вывод
и отвод инструментов; времени, затрачиваемого на смену инструментов; времени, затрачиваемого на перемещение стола с заготовкой относительно тре143
буемой координаты; времени, расходуемого на поворот стола с заготовкой для
обработки поверхностей, расположенных с другой стороны.
Время, затрачиваемое на установку и снятие заготовки, машинное время и
непосредственно связанное с ним время, затрачиваемое на подвод и отвод инструмента, независимо от используемой схемы остается одинаковым, так как
охватывает время обработки одних и тех же отверстий по тем же переходам с
соответствующими им режимами резания. В связи с этим при оценке вариантов
по их трудоемкости сопоставляются затраты времени на выполнение несовмещенных вспомогательных перемещений.
Ф р е з е р о в а н и е п л о с к о с т е й. Фрезерование, как правило, проводится в самом начале операции обработки сложной корпусной или коробчатой заготовки на обрабатывающем центре. При этом черновое фрезерование
рекомендуется проводить торцовыми фрезами малого диаметра последовательными ходами вдоль обрабатываемой поверхности. В этом случае меньше
сказывается влияние неравномерного или повышенного припуска, меньше возникающее усилие резания, меньше вибрации стола.
Фрезерование плоскостей фрезами большого диаметра на обрабатывающих центрах нежелательно. При установке в инструментальном магазине,
особенно звездообразного или револьверного типа, крупные фрезы перекрывают соседние гнезда и расположение в них инструментов становится невозможным. Смена инструментов больших размеров автооператором усложняется. Фрезерование несплошных плоскостей целесообразно выполнять обходом
по контуру фрезами малого диаметра.
К о р о б л е н и е з а г о т о в о к и о п е р а ц и и с т а р е н и я.
Большая номенклатура корпусных заготовок по технологическому процессу их
обработки требует естественного или искусственного старения. Старение вынуждает делить процесс обработки на черновые и чистовые операции, между
которыми оно выполняется. Корпусные заготовки из легких сплавов проходят
естественное старение во время между несколькими операциями. Это не позволяет полностью концентрировать процесс обработки и осуществлять всю
обработку заготовки за одну операцию при одном ее установе вследствие возможных коробления и брака. В подобных случаях обработку заготовок приходится проводить на отдельных станках для предварительной и окончательной
обработки. К станкам, выполняющим предварительные черновые операции,
предъявляются при этом меньшие требования по точности. При обработке заготовок на обрабатывающих центрах желательно проводить их старение до
начала механической обработки, однако это связано с опасностью возникновения короблений после снятия литейных корок и удаления основного припуска.
В связи с этим при обработке заготовок сложной конфигурации возможность и
необходимость старения заготовок перед их обработкой следует проверять
экспериментально.
Р а з р а б о т к а с т а н д а р т н ы х ц и к л о в и л и п о в т о р я -е
м ы х п р о г р а м м. Ранее указывалось, что корпусные заготовки часто
имеют группы одинаковых поверхностей и отверстий. Процесс их обработки и
144
его последовательность, режущий инструмент и последовательность его перемещений и замены, изменение режимов обработки и т.п. для каждого отверстия
остаются одинаковыми и повторяются. Чтобы упростить разработку технологического процесса и программы обработки заготовок, а также для упрощения
кодирования процесса обработки, целесообразно составить наиболее часто повторяющиеся стандартные циклы движения инструмента, стола и салазок.
Стандартные циклы при сверлении, растачивании, фрезеровании позволяют
выполнять последовательно одинаковые операции, программируя только цикл
первой и устанавливая для выполнения последующих только значения координат X, Y и Z. Постоянные циклы обработки, наряду с упрощением разработки
технологии, способствуют повышению производительности за счет сокращения вспомогательных и холостых пробегов. Так, при повторении циклов устраняется время, затрачиваемое на подвод инструмента, поскольку при обратном
ходе он останавливается на уровне поверхности обрабатываемой заготовки.
Таким образом, можно сделать вывод, что использование станков с ЧПУ,
включая обрабатывающие центры, имеющих ряд новых технологических возможностей, позволяет значительно повысить точность, производительность и
экономичность обработки.
3.5. Классификация автоматических линий
и особенности их компоновки
Проектирование технологического процесса обработки заготовок деталей на автоматических линиях имеет специфические особенности. Процесс
должен удовлетворять условиям автоматизированного производства по выбору
баз, расчету точности, выбору варианта обработки, синхронности операций,
обеспечению условий безаварийной работы, компактности и др. Большинство
современных автоматических линий являются специальными для обработки
одного изделия.
Достоинства обработки заготовок деталей на автоматических линиях заключается в том, что все технологические приемы выполняются непрерывно,
без участия человека. Это значительно сокращает цикл обработки, объемы
межоперационных заделов и незавершенного производства, а также упрощает
планирование.
В машиностроении используются следующие автоматические линии ( по
признакам ввода заготовки и выдачи готовой продукции):
-с поштучным вводом заготовок и поштучной выдачей обработанных деталей (например, линии для обработки колец карданных подшипников);
-с непрерывной подачей материала и непрерывной выдачей готовой продукции (линия для производства сварных труб);
-с непрерывной подачей исходных материалов и поштучной выдачей готовых изделий (линия для производства метизов из бунта).
Линии с поштучной подачей заготовок и поштучной выдачей готовых
деталей можно разбить на два класса: синхронные (жесткие) и несинхронные
145
(гибкие). На рис.3.8 представлена классификационная схема автоматических
линий для изготовления изделий в машиностроении.
В синхронных линиях обрабатываемые заготовки 1 передаются от одного
станка к другому с использованием шаговых транспортных устройств, которые перемещают все заготовки на шаг l. Расстояние между станками должно
быть равно или кратно шагу (рис.3.9).
Недостаток линии - при отказе одного станка необходимо останавливать
всю линию. Линии такого класса могут состоять как из однопозиционных, так
и многопозиционных станков. Транспортер линии может быть сквозным или
несквозным. Линии со сквозным транспортером получили наибольшее распространение и используются в основном для корпусных деталей.
КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
(по вводу заготовки и выдачи деталей)
Поштучный ввод заготовок и поштучная выдача деталей
Непрерывная подача материала и непрерывная
выдача продукции
Синхронные автоматические линии
(жесткие)
Несинхронные автоматические линии
(гибкие)
Непрерывная подача
исходного материала и
поштучная выдача готовых изделий
Рис.3.8. Классификационная схема автоматических линий
для изготовления изделий в машиностроении
На рис.3.9. показана принципиальная схема компоновки синхронной автоматической линии.
146
Рис.3.9. Схема компоновки синхронной автоматической линии
Несинхронные линии состоят из станков, каждый из которых или группа
их снабжены бункером 2 (рис.3.10,а) или магазином-накопителем 3,4
(рис.3.10,б) для хранения деталей и автоматическим загрузочно-разгрузочным
устройством. При остановке одного участка линии заготовки поступают из
бункера или магазина - накопителя, что обеспечивает продолжение работы линии. Линии с бункерами используются для небольших, легко ориентируемых
заготовок; линии с магазинами-накопителями - для более сложных заготовок.
а
Рис.3.10. Схема компоновок несинхронных автоматических линий
Линии с жесткой связью создают при необходимости с приспособлениями-спутниками (рис.3.11). Заготовки 1 устанавливают в приспособлениях147
спутниках 5, которые перемещаются на транспортирующим устройстве 6 и при
его помощи перемещаются от станка к станку. Деталь обрабатывают в данном
случае с одной установки, при одной схеме базирования. Технологическими
базами заготовки могут быть как предварительно обработанные поверхности,
так и черновые. Несмотря на сравнительную сложность, линии со спутниками
широко используют для обработки сложных по конструкции заготовок.
Рис.3.11. Пример компоновки линии с жесткой связью
и приспособлениями-спутниками
В линиях бесспутникового типа заготовки должны иметь предварительно
обработанные базы, например, крупные корпусные детали - нижнюю поверхность с двумя отверстиями для фиксирующих пальцев. Операции обработки
баз в основном проводят на отдельном оборудовании. Заготовки в бесспутниковых линиях устанавливают в приспособлениях, размещенных на каждом
станке линии, при помощи автооператоров, механических рук, лотков.
Линии с жестко-гибкой связью по расположению транспортирующего
устройства могут быть со сквозным и несквозным перемещением заготовок.
При несквозном перемещении заготовки 1 проходят вне зоны обработки, из
транспортера они подаются в рабочую зону и обратно при помощи специальных загрузочных устройств 7, что усложняет линию (рис.3.12). Такие автоматические линии используют для обработки валов, зубчатых колес и других заготовок деталей. Если длительность обработки на отдельных участках неодинакова (меньше такта выпуска изделий), используют линии с разветвляющимся
потоком (рис.3.13).
148
Рис.3.12. Пример компоновки автоматической линии с жестко-гибкой связью
Рис.3.13. Пример компоновки автоматической линии
с разветвляющимся потоком
Большинство линий, используемых в машиностроении, периодического
действия (заготовка во время обработки останавливается). В автоматических
линиях непрерывного действия (роторные и цепные линии) заготовки обрабатываются во время их перемещения, что обеспечивает высокую производительность линии. Однако технические возможности их (по размерам и сложности обрабатываемых заготовок) небольшие.
Линии для механической обработки могут состоять из следующих станков: агрегатных, специальных, универсальных, специализированных - полуавтоматов и автоматов, станков с программным управлением и роторных машин.
Общая последовательность разработки технологического процесса обработки заготовок деталей на автоматической линии можно представить схемой
(рис.3.14).
149
Последовательность разработки
техпроцесса
Выбор способа получения
заготовки и определение
технических требований
Установление необходимых позиций а/л
согласно намеченному
маршруту обработки
Выбор оборудования,
инструментов и
приспособлений
Расчет такта
выпуска
изделий
Выбор технологических баз и маршрута
обработки поверхностей с определением
операций, выполняемых вне а/линий.
Расчет промежуточных припусков,
определение технических допусков и
предельных размеров заготовки по
техническим переходам
Назначение режимов
резания
Определение настроечных размеров
Рис.3.14. Последовательность разработки техпроцесса механообработки заготовок деталей на автоматической линии
При разработке технологического процесса для автоматической линии
специфичны:
-выбор структуры линии и расчленение ее на участки;
-расчет вместимости промежуточных накопителей;
-установление концентрации технических переходов;
-установление периода групповой смены режущих инструментов;
-расчет настроечных размеров.
3.6. Требования к технологичности конструкции
При анализе конструкции детали для изготовления ее на автоматических
линиях особое внимание обращают на возможность многосторонней многоинструментальной обработки, легкого отвода стружки, подвода и отвода СОЖ.
Выбор баз проводится с учетом возможности автоматической фиксации
заготовки детали в требуемом положении в приспособлении, надежной защиты
баз от попадания стружки, рационального способа транспортирования деталей.
Для выполнения данных требований используют приспособленияспутники, а для приспособлений используют искусственные базы. При обработке корпусных деталей целесообразно в качестве баз использовать плоскость
и два точных отверстия. Фиксаторы и прижимы приводятся в действие гидроцилиндром.
150
При разработке технического процесса необходимо предусмотреть минимальное число перебазирований и перезакреплений обрабатываемой заготовки детали. Выполнение данных условий способствует повышению точности, уменьшению цикла обработки и сокращению количества автооператоров и
кантователей. Как правило, необходимо стремиться к выполнению совмещения
технологических и измерительных баз с целью устранения погрешностей при
базировании.
Для автоматизированного производства понятие операции как законченной части технологического процесса, выполненной на одном рабочем месте,
теряет смысл. Операция в условиях обработки заготовок деталей на автоматических линиях - это элемент технологического процесса, не требующий
участия человека и выполненный одним целевым механизмом, обеспечивающим
необходимое взаимодействие инструмента и заготовки для осуществления
процесса обработки.
Технологический маршрут обработки отдельных поверхностей устанавливается на основании исходных данных (чертежа детали, объема выпуска и
др.) и принципиально не отличается от маршрутов в обычном производстве. С
целью обеспечения заданного размера детали и уменьшения количества отказов рекомендуется вводить между предварительной и окончательной обработкой получистовую. Следует стремиться повышать степень концентрации технологических переходов, а также исключать из общего маршрута трудно автоматизируюшиеся операции. Для предупреждения возможности завышения и
занижения припусков желательно устанавливать их расчетно-аналитическим
методом, а не выбирать по таблицам.
3.7. Выбор типа и структуры автоматической линии
В настоящее время считается экономически эффективным объединение
отдельных станков в малые и большие участки автоматических линий. При
выборе оптимальной структуры необходимо определить какое число станков
можно сблокировать в автоматическую линию с жесткой связью. Оптимизация
проводится по двум факторам: надежности машин, объединенных в линию, и
затратам на средства автоматизации.
Число станков, входящих в автоматическую линию, исходя из технологического процесса обработки и конструктивных факторов, выбирают от 2 до 30.
При определении структуры линии сопоставляют параметры поточной линии
из станков с автоматическим циклом и параметры автоматической линии из
тех же жестко сблакированных станков. Из-за недостаточной надежности оборудования и средств автоматизации в настоящее время такие линии разделяют
на отдельные участки. Затраты на средства автоматизации и потери производительности должны быть скомпенсированы за счет сокращения численности
обслуживающего персонала.
Определение оперативного времени, отводимого на отдельные позиции,
проводится исходя из фонда времени работы автоматической линии F, про151
граммного задания N ( выпуск деталей в штуках за период времени F) и коэффициента использования линии η .
Такт работы в минутах автоматической линии определяется по формуле:
τ=
60 F э
N
Имеет место номинальный (календарный) годовой фонд времени работы
линии (F) и эффективный годовой фонд - Fэ (с учетом потерь времени на плановый ремонт оборудования Fэ =0,9 F). Такты тоже делят на номинальный и
действительный - τ д .
Максимальное допустимое оперативное время (или время рабочего цикла
станков автоматической линии) определяют:
Tоп = τ д η ,
где
η
- коэффициент использования автоматической линии, учитывающий
потери времени на устранение возможных неполадок в работе механизмов, затраты времени на настройку и наладку режущих инструментов.
При более точных расчетах учитывают показатели надежности каждой
позиции автоматической линии:
Tоп = τ д -(1-P) tу.о.,
где tу.о. - время устранения отказов, приходящиеся на один рабочий цикл;
Р - надежность линии: Р=(Р1 Р2 ....Рn)Р’P”;
Р1, Р2 ....Рn - надежность станков (позиций);
Р’ - надежность транспортирующего устройства;
P”- надежность управляющей системы линии.
Время устранения отказов tу.о. определяется делением среднего времени
восстановления работоспособности t на среднее количество циклов между отказами n’:
tу.о. = t / n.
Составляющие времени по каждой позиции автоматической линии определяются по максимальному допустимому значению Топ.
Топ. = tм. + tв.,
где tм. - машинное время, включающее время ускоренного подвода; отвода
режущих инструментов и время их работы при рабочей подаче;
tв - вспомогательное время, включающее время транспортирования, фиксирования, разжима, закрепления и открепления деталей или спутников.
Время подвода и отвода инструментов определяется исходя из характеристик силовых головок, приведенных в паспортных данных.
После определения допустимых норм времени по позициям уточняется
технологический процесс, рассчитываются режимы резания и проводится нормирование.
3.8. Выбор приспособлений и инструмента
152
На автоматических линиях используют стационарные приспособления,
одно- и многопозиционные, также одно- и многоместные. В определенных случаях применяют приспособления-спутники.
К стационарным приспособлениям автоматических линий предъявляют
специфические требования. Подача и установка заготовок в приспособление
производится за счет перемещения определенного транспортирующего устройства. Установочные элементы транспортирующего устройства должны быть на
одном уровне с установочными элементами приспособлений. В качестве установочных элементов часто используют опорные планки и два выдвижных
пальца с коническими фасками называемые фиксаторами.
При расчете погрешности установки заготовки необходимо учитывать,
что наличие выдвижных установочных элементов и фиксаторов вызывает увеличение погрешности установки обработанной детали. Для определения правильности положения заготовки в приспособлении часто используют датчики,
поэтому при проектировании автоматической линии работа приспособления и
транспортирующего устройства согласовывается с работой станка. Конструкция приспособления должна обеспечивать надежный отвод стружки из зоны
обработки.
Приспособления-спутники используют для установки и закрепления заготовок сложной формы. При этом весь процесс обработки выполняется при
неизменном положении заготовки. Приспособление - спутник с закрепленной
на нем заготовкой последовательно перемещается относительно станков автоматической линии по специальным направляющим при помощи шагового
транспортера. Закрепление заготовок на спутнике осуществляется вручную
или автоматически гайковертами, смонтированными в начале и в конце линии.
Использование приспособлений-спутников на автоматических линиях
обеспечивает:
-необходимую ориентацию заготовки при транспортировке;
-доступность рабочей зоны для наблюдений и очистки;
-надежность фиксирования заготовки вместе с приспособлениямиспутниками;
-автоматическую очистку и мойку базирующих элементов приспособлений
вне зоны обработки.
К недостаткам приспособлений-спутников относятся:
-удлинение и усложнение транспортных устройств линии вследствие
невозможности возврата приспособлений-спутников с последней на
первую позицию линии и наличия вспомогательных устройств для закрепления заготовок;
-уменьшение точности обработки из-за наличия дополнительных поверхностей стыковки, фиксации и базирования.
Для стабильной работы автоматической линии необходимо выбирать инструменты, обладающие наибольшей размерной и режущей стойкостью. Для
автоматической линии подбирают инструмент на класс выше стандартного или
153
изготовляют по специальным отраслевым нормалям. Около 80% инструментов
обычно оснащаются твердосплавными пластинами с механическим креплением. Инструменты для автоматических линий, как правило, должны обеспечивать: быструю наладку и подналадку станков, взаимозаменяемость при предельном износе, дробление стружки, высокую степень концентрации технологических переходов.
Желательно использовать сборные многолезвийные инструменты с неперетачиваемыми пластинами, фрезы с твердосплавными режущими и зачистными пластинами.
Вспомогательный инструмент (оправки, удлинители и т.д.) должен обеспечивать удобную настройку режущего инструмента вне станка и регулировку
положения по его длине после заточки.
3.9. Особенности определения режимов резания и нормирование
Методика расчета режимов резания для автоматических линий та же, что
и для агрегатных станков. Дополнительно необходимо учитывать следующее:
- при использовании существующих нормативных элементов режимов
резания - глубина резания (t,мм); ширина обработки (B,мм); подача (Sz, мм/зуб;
So,мм/об; Sм, мм/мин); частота вращения шпинделя (n, мин-1); скорость резания (V,м/мин; м/сек); стойкость инструмента (T,мин), а также усилие резания
(P,Н), двойной крутящий момент (2Mкр, Н/м) и эффективная мощность
(Nэ,кВт);
- необходимо учитывать влияние сложности технологической настройки,
жесткости системы СПИД каждой из позиций линии. При определенных условиях элементы режима резания могут быть понижены на 10...30%;
- допустимый износ режущих инструментов должен быть примерно в
1,5-2 раза меньше рекомендуемого для режущих инструментов универсального
оборудования;
- рассчитанные режимы резания корректируют в соответствии с рекомендуемыми периодами принудительной смены инструментов (1/2 смены, 1, 2
смены с разбивкой инструментов на группы). При этом может оказаться, что
период смены инструмента отдельных групп будет меньше периода возможностей стойкости инструмента. Но это окупается уменьшением количества отказов автоматической линии.
Для бесперебойной эксплуатации автоматических линий большое значение имеет правильно налаженная система обеспечения инструментом, в том
числе принудительная смена инструмента по специальному графику, централизованная доставка на заточку, своевременное пополнение запасов инструмента.
Нормирование времени заключается в нахождении действительного оперативного времени на каждой из позиций линии и сравнение его с допустимым
оперативным временем (временем цикла) работы автоматической линии.
Тшт. = Топ. = tо. + tв.
154
Для позиций с одномерной наладкой и одноместным приспособлением:
lвр. + l. + lсх.,
Топ. = -------------- + tв.
sм.
Для многоместных приспособлений, многоинструментальной наладке при использовании многопозиционных станков, параллельной многосторонней обработке:
lвр. + l. + lсх.,
Топ. = -------------- + tв.,
sм.. n
где n – число одновременно обрабатываемых сторон или деталей, или
участвующих в обработке инструментов.
155
4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ
4.1. Технологический процесс механической обработки вала
редуктора в условиях серийного производства
Получение исходной информации. В качестве примера принята деталь вал (рис.4.1); материал - сталь 20Х; масса детали 4,9 кг; годовой объем выпуска - 1250 шт.; режим работы - двухсменный при 41-часовой рабочей неделе.
Технологический контроль чертежа. Деталь представляет собой ступенчатый вал. Точность изготовления основных поверхностей находится в пределах 6...8 квалитетов. Отношение длины (325 мм) к диаметру (средний размер
диаметра 50 мм) составляет 6,5. Вал можно считать достаточно жестким, что не
вызывает трудностей в получении заданной точности. Шероховатость посадочных шеек находится в пределах 1,25 мкм, точность расположения поверхностей - в пределах 0,02 мм. Весьма мал допуск на погрешность формы шеек
∅ 45 мм. Диаметральные размеры шеек вала уменьшаются к концам. Конфигурация вала, размеры поперечных канавок позволяют проводить обработку на
токарных станках различного типа. Обеспечение точности и шероховатости
диаметральных поверхностей не вызывает трудностей.
Необходимо отметить некоторые недостатки конструкции детали. На валу имеется три шпоночных паза: два закрытого типа - 14N9 и 16N9 и один полузакрытого - 5,8+0,1
на резьбовом конце. Вызывает сомнение правильность
такого конструктивного решения. Для уменьшения номенклатуры инструментов целесообразно использовать один размер - 14N9 или 16N9. Для шеек ∅45
мм рекомендуемым номинальным размером шпоночных пазов является размер 14. Поэтому в обоих случаях принимаем размер шпоночных пазов 14N9.
Номинальный размер паза на резьбовом конце вала - 5,8 мм, по всей видимости, конструктором проставлен необдуманно. Целесообразно принять размер
нормального ряда - 6 мм.
В остальном конструкция детали достаточно технологична. Разработку
технологического процесса вала следует проводить с учетом высказанных замечаний.
Определение типа производства. Пользуясь справочными таблицами
можно установить, что производство серийное. Величина партии деталей при
a= 6 дней, N =1250 шт., m=254 дней:
Na
1250 x 6
n = --------- = --------------- = 29,52 ~30 шт.
m
254
По величине партии в 30 шт. можно уточнить, что производство среднесерийное.
156
Выбор вида заготовки. В связи с небольшим объемом производства в
качестве заготовки принимается прокат горячекатанный (ГОСТ 2590-71). Заготовки получаются путем резки прутка дисковыми пилами. Диаметр прутка
выбирается по наибольшему диаметру детали с учетом припуска на обработку
и стандартного ряда диаметров согласно ГОСТ 2590-71 ∅ 65-1,1. Длина заготовки принята равной 328-0,8.
Объем заготовки
Vз=
π
2
Dз L ,
4
где Dз - диаметр прутка;
L - длина заготовки,
Vз =
3.14 6,52
4
32,8 = 1087,8 см3 .
Масса заготовки при плотности материала
p= 7,86 г/см3
Q =Vз p = 1087,8 х 7,86 = 8550,1 г = 8,55 кг
Норма расхода материала с учетом потерь при отрезке штучной заготовки (ширина пропила в=6 мм)
Vп =
3,14.6,5 2
( L + b) =
(32,8 + 0,6) = 1107,7 см3 ,
4
4
π D2з
Qн = Vн p = 1107,7 x 7,86 = 8706,52 г = 8,706 кг
Коэффициент использования материала
Км =
q
4,9
=
= 0,56 .
Qn 8,706
Стоимость заготовки будет:
Sзаг = M + ∑ Cо.з. ,
- затраты на материал в руб.;
- технологическая себестоимость заготовительной операции в
где M
Cо.з.
руб.
Заготовительная операция заключается в отрезке штучной заготовки:
С п.з.Т ш.к. ,
S о.з. =
где
60.100
Cп.з. - приведенные затраты на отрезку заготовки;
Tш.к. - штучно-калькуляционное время выполнения операции отрезки.
157
M = Q ⋅ S -(Q-q) Sотх. /1000 ,
где S - цена одного кг стали;
Sотх - цена 1 т. стружки;
q - масса детали.
Ценовые значения входящих в формулы величин принимаются по фактическому состоянию цен на время расчета.
Предварительная разработка технологического маршрута. Серийное
производство в настоящее время имеет свои особенности:
- для серийного производства широкое распространение получило использование станков с ЧПУ и промышленных роботов;
- использование станков с ЧПУ позволяет сконцентрировать ряд операций на одном рабочем месте и т.д.
Оборудование должно обеспечивать возможность его быстрой переналадки на выпуск других деталей, сходных по технологическому процессу с рассматриваемой, то есть обеспечивать возможность групповой обработки. В качестве оборудования использованы, в основном, станки с ЧПУ.
Разработанный технологический маршрут обработки вала приведен в
табл.4.1. Приведенный маршрут и принятое оборудование позволяют прозводить обработку ступенчатых валов различного назначения.
4.2. Технологический процесс механической обработки вала
редуктора в условиях массового производства
Один из вариантов технологического маршрута обработки вала в условиях массового производства, содержащий эскизы обработки с рассчитанными
допусками приведен в табл.4.2. Обработка заготовки деталей проводится на автоматической линии. Планировка линии приведена на рис.4.2.
Автоматическая линия обработки вала редуктора состоит из двух участков: участка обработки вала до термообработки и участка обработки вала после
термообработки. Металлорежущие станки (1) установлены в последовательность выполнения операции технологического процесса. Для загрузки заготовок и разгрузки деталей использованы магазины (2,3), в которых заготовки и
детали находятся в ориентированном положении. Загрузка магазинов в начале
линии проводится оператором. Передача заготовки деталей от станка к станку
проводится с помощью шагового транспортера (4). Непосредственная загрузка
станков осуществляется двурукими автооператорами (5). Уборку стружки
обеспечивает шнековый транспортер (6). В связи с тем, что обработка вала
проводится с двух сторон, для исключения кантователей, усложняющих линию, использован следующий подход: токарные и шлифовальные станки, обрабатывающие заготовки детали с различных сторон, установлены по принципу “фронт к фронту”.
158
159
Рис 4 1 Чертеж вала быстроходного
Рис.4.2. Планировка автоматической линии для обработки вала быстроходного
160
161
Таблица 4.1
162
Продолжение табл. 4.1
163
Продолжение табл. 4.1
164
Окончание табл. 4.1
165
Таблица 4.2
166
Продолжение табл. 4.2
167
Продолжение табл. 4.2
168
Продолжение табл. 4.2
169
Продолжение табл. 4.2
170
Продолжение табл. 4.2
171
Окончание табл. 4.2
5. ТЕХНОЛОГИЯ СБОРКИ МАШИН
5.1.
Особенности процесса сборки при изготовлении машин
Процесс сборки является заключительным этапом изготовления машины, в значительной степени определяющим ее основные эксплуатационные
качества. Условия достижения высоких эксплуатационных качеств машины не
ограничиваются созданием ее удачной конструкции или использованием высококачественных материалов для изготовления ее деталей. Не гарантирует
этих качеств и высокоточное изготовление деталей с обеспечением оптимального состояния поверхностных слоев их сопряжений. Процесс изготовления
машины может гарантировать достижение всех требуемых ее эксплуатационных показателей, а также надежности и долговечности в эксплуатации лишь
при условии высококачественного проведения всех этапов сборки, регулировки и испытаний изготовленного изделия.
Это связано с тем, что в процессе сборки вполне доброкачественных изделий по разным причинам могут возникать погрешности взаимного расположения деталей, существенно снижающие точность и служебные качества изделия. Причинами возникновения таких погрешностей могут быть:
- ошибки, допускаемые рабочими при ориентации и фиксации установленного положения собираемых деталей;
- погрешности установки калибров и измерительных средств, используемых при сборке; погрешности регулирования, пригонки и контроля точности положения детали в узле, достигнутого при сборке, а также собственные
погрешности измерительных средств;
- относительные сдвиги деталей в промежутке времени между их установкой в требуемые положения и их фиксацией в этом положении;
- образование задиров на сопрягаемых поверхностях деталей;
- упругие деформации сопрягаемых деталей при их установке и фиксации, а также пластические деформации поверхностей сопряжении, нарушающие точность и плотность соединений.
Выполнение сборочных работ связано с большой затратой времени, составляющем значительную долю общей трудоемкости изготовления машины.
В зависимости от типа производства затраты времени на сборочные работы
составляют для массового и крупносерийного производств порядка 20-30%, а
для единичного и мелкосерийного 35-45%.
Следует отметить, что от 50 до 85% слесарно-сборочных операций выполняется вручную, требует больших физических и экономических затрат, а
также высокой квалификации рабочих.
Изложенные причины превращают проблему повышения качества и
производительности сборки в одну из первоочередных и важнейших задач
технического прогресса современного машиностроения.
172
5.2.Классификация процессов сборки
Сборка - это образование разъемных или неразъемных соединений составных частей заготовки или изделия. Сборка может осуществляться простым
соединением деталей, их запрессовкой, свинчиванием, сваркой, пайкой, клейкой и т.д. По своему объему сборка подразделяется на общую сборку, объектом которой является изделие в целом, и на узловую сборку, объектом которой
является составная часть изделия, т.е. сборочная единица или узел.
В условиях единичного и мелкосерийного типов производств основная
часть сборочных работ выполняется на общей сборке и лишь малая их доля
осуществляется над отдельными сборочными единицами. С увеличением серийности производства сборочные работы все больше раздробляются по отдельным сборочным единицам и, в условиях массового и крупносерийного типов производств, объем узловой сборки становится равным или даже превосходит объем общей сборки. Это значительной мере способствует механизации
и автоматизации сборочных работ и повышению их производительности. По
стадиям процесса сборка подразделяется на предварительную, промежуточную, сборку под сварку, окончательную и др.
Предварительная сборка, т.е. сборка заготовок, составных частей или
изделия в целом, которые в последующем подлежат разборке. Например,
предварительная сборка узла с целью определения размера неподвижного
компенсатора.
Промежуточная сборка, т. е. сборка заготовок, выполняемая для дальнейшей их совместной обработки. Например, предварительная сборка корпуса
редуктора с крышкой для последующей совместной обработки отверстий под
подшипники; предварительная сборка шатуна с крышкой для обработки отверстия под шатунные шейки коленчатого вала и т. п.
Сборка под сварку, т. е. сборка заготовок для их последующей сварки.
Процесс соединения деталей при помощи сварки в большинстве случаев является сборочным и может быть введен непосредственно в поток узловой или
общей сборки. Большой объем сборочных работ с использованием сварки выполняется при изготовлении, например, кузовов и кабин различных транспортных машин. В процессе сварки основание, кабина и другие элементы кузова удерживаются в специальных приспособлениях фиксаторами или конвекторами, чем обеспечивается правильное положение элементов относительно
друг друга.
Окончательная сборка, т. е. сборка изделия или его составной части, после которой не предусмотрена его последующая разборка при изготовлении.
Следует обратить внимание, что после окончательной сборки для некоторых изделий может следовать демонтаж, в состав которого входят работы по
частичной разборке собранного изделия с целью подготовки его к упаковке и
транспортированию к потребителю.
173
5.3. Размерные расчеты сборочных процессов
При соединении деталей машин в процессе сборки необходимо обеспечить их взаимное расположение в пределах заданной точности.
Под точностью сборки следует понимать свойство процесса сборка изделия обеспечивать соответствие значений параметров изделия заданным в
конструкторской документации (ГОСТ 23887-79). В результате сборки должно быть обеспечено такое взаимное положение деталей и сборочных единиц,
чтобы их исполнительные поверхности или сочетания этих поверхностей в
своем относительном движении, а также в стабильном состоянии не выходили
за пределы установленных допусков не только в процессе сборки. но и в процессе эксплуатации машины. Одним из средств определения рациональных
допусков, обеспечивающих наиболее экономичную обработку заготовок деталей и сборку машин, является расчет и анализ размерных цепей.
Как известно, при расчете размерных цепей могут быть использованы различные методы, характеристики которых изложены в табл.5.1.
Короткие технологические сборочные размерные цепи с числом составляющих звеньев не более трех рассчитываются по принципу полной взаимозаменяемости на максимум и минимум.
Конструкторские и сборочные размерные цепи во многих случаях имеют
по четыре, пять и более составляющих звеньев, поэтому их расчет должен
проводиться вероятностным методом по принципу неполной взаимозаменяемости. При этом методе требуемая точность обеспечивается, у заранее обусловленной части объектов, посредством включения в размерную цепь составляющих звеньев без их выбора, пригонки или изменений их значений регулированием. При таком расчете некоторая часть деталей (обычно до 0,27%) не
будет собираться и может потребоваться замена. Расчет вероятностным методом, осуществляемый в этом случае, проводится с учетом фактического распределения истинных размеров внутри полей их допусков и вероятности их
различных сочетаний при сборке и механической обработке.
Таблица 5.1
Методы расчета размерных цепей
Метод
1
Полной взаимозаменяемости
Неполной взаимозаменяемости
Сущность метода
2
Метод, при котором требуемая
точность замыкающего звена размерной цепи достигается у всех
объектов путем включения в нее
составляющих звеньев без выбора,
подбора или изменения их значений
Метод, при котором требуемая
точность замыкающего звена
размерной цепи достигается у заранее обусловленной части
174
Область применения
3
Использование экономично в условиях достижения высокой точности при малом числе звеньев
размерной цепи и при достаточно
большом числе изделий, подлежащих сборке
Использование целесообразно для
достижения точности в многозвенных размерных цепях; допуски на составляющие звенья при
Продолжение табл. 5.1
1
Групповой взаимозаменяемости
Пригонки
2
объектов путем включения в нее
составляющих звеньев без выбора,
подбора или изменения их значений
Метод, при котором требуемая
точность замыкающего звена размерной цепи достигается путем
включения в размерную цепь составляющих звеньев, принадлежащих к одной из групп, на которые они предварительно рассортированы
Метод, при котором требуемая
точность замыкающего звена размерной цепи достигается изменением размера компенсирующего
звена путем удаления с компенсатора определенного слоя материала.
Регулирования
Метод, при котором требуемая
точность замыкающего звена размерной цепи достигается изменением размера или положения компенсирующего звена без удаления
материала с компенсатора
Сборка с компенсирующими материалами
Метод, при котором требуемая
точность замыкающего звена размерной цепи достигается применением компенсирующего материала, вводимого в зазор между
сопрягаемыми поверхностями деталей после их установки в требуемом положении.
175
3
этом больше, чем в предыдущем
методе, что повышает экономичность получения сборочных единиц; у части изделий погрешность
замыкающего звена может быть за
пределами допуска на сборку, т.е.
возможен определенный риск несобираемости
Применяется для достижения наиболее высокой точности замыкающих звеньев малозвенных
размерных цепей; требует четкой
организации сортировки деталей
на размерные группы, их маркировки, хранения и транспортирования в специальной таре
Используется при сборке изделий
с большим числом звеньев; детали
могут быть изготовлены с экономичными допусками, но требуются дополнительные затраты на
пригонку компенсатора; экономичность в значительной мере зависит от правильного выбора компенсирующего звена, которое не
должно принадлежать нескольким
связанным размерным цепям
Аналогичен методу пригонки, но
имеет большее преимущество в
том, что при сборке не требуется
выполнять дополнительные работы со снятием слоя материала;
обеспечивает высокую точность и
дает возможность периодически ее
восстанавливать при эксплуатации
машины
Использование наиболее целесообразно для соединений и узлов,
базирующихся по плоскостям
(привалочные поверхности станин, рам, корпусов, подшипников,
траверс и т.п.); в ремонтной практике для восстановления работоспособности сборочных единиц,
для изготовления оснастки
5.4. Структура и содержание технологического процесса сборки
Технологическая подготовка сборочного производства состоит из разработки технологических процессов, проектирования и изготовления специальной оснастки, нестандартного оборудования, выполнения необходимых расчетов, планировок и других работ. Основной и наиболее важной частью технологической подготовки сборочного производства является проектирование технологического процесса сборки.
Технологический процесс сборки представляет собой часть производственного процесса, непосредственно связанную с последовательным соединением, взаимной ориентацией и фиксацией деталей и узлов, для получения готового изделия, удовлетворяющего установленным требованиям.
В состав технологического процесса сборки в качестве технологических
операций или переходов включаются разнообразные сборочные работы, например: соединение сопрягаемых деталей посредством приведения в соприкосновение их сборочных баз; проверка точности взаимного расположения собираемых деталей и узлов и внесение, если это необходимо, соответствующих
исправлений путем регулировки, пригонки или подбора; фиксация положения деталей и узлов, обеспечивающего правильность выполнения ими целевого назначения при работе машины. К технологическому процессу сборки относятся также операции, связанные с проверкой правильности действия отдельных механизмов и узлов и машины в целом (точность, плавность движений, бесшумность, надежность функционирования смазочной системы и т.п.).
Сюда же относятся все необходимые по содержанию работы операции по очистке, промывке, окраске и отделке изделия или составляющих его сборочных
соединений и деталей. В табл.5.2. приводятся данные о соотношении трудоемкости различных видов сборочных работ.
Технологическая операция сборки представляет собой законченную
часть процесса, выполняемую непрерывно над одной сборочной единицей или
над совокупностью одновременно собираемых единиц (узлов, деталей), одним
или группой (бригадой) рабочих на одном рабочем месте. Сборочная операция
- это технологическая операция установки и образования соединений составных частей заготовки или изделия.
Так же, как и при механической обработке, сборочная операция является важной единицей производственного планирования, однако следует иметь в
виду, что при некоторых организационных формах сборки (в частности, при
стационарной однобригадной сборке) сборочный процесс может в явной форме на операции и не расчленяться.
Переход сборочного процесса - это законченная часть операции сборки,
выполняемая над определенным участком сборочного соединения (узла) неизменным методом выполнения работы при использовании одних и тех же
инструментов и приспособлений.
176
Приемом (элементом) сборочного процесса называется отдельное законченное действие рабочего в процессе сборки или подготовки к сборке изделия или узла.
Таблица 5.2
Виды работ, входящих в процесс сборки
Вид работ
Краткая характеристика
Подгото- Работы по приведению деталей, а также
вительные покупных изделий в состояние, требуемое условиями сборки: деконсервирование, мойка, сортирование на размерные группы, укладка в тару и др.
Пригоноч- Работы, связанные с обеспечением соные
бираемости соединений и технических
требований к ним: опиливание и зачистка, притирка, полирование, шабрение,
сверление, развертывание, правка.
Собствен- Работы по соединению двух или больно сбороч- шего числа деталей с целью получения
сборочных единиц и изделий основного
ные
производства: свинчивание, запрессовывание, клепка и др.
Регулиро- Работы, проводимые в процессе сборки
вочные
или после ее окончания с целью достижения требуемой точности во взаиморасположении деталей в сборочных
единицах и изделии.
Контроль- Работы, выполняемые в процессе сборные
ки и после ее окончания с целью проверки соответствия сборочных единиц и
изделий параметрам, установленным
чертежом и техническим условиям на
сборку.
Демонтаж- Работы по частичной разборке собираные
емого изделия с целью подготовки его к
упаковке и транспортированию к потребителю.
Удельный вес в общей
трудоемкости сборки, %
в мелкосерий- массовом
ном
производствах
5-7
8-10
20-25
-
44-47
70-75
7-9
6-7
10-12
8-10
6-8
3-4
Пример построения сборочной операции из отдельных переходов. Операция: установить заднюю бабку токарного станка. Переходы: установить баб177
ку на станину и закрепить; проверить правильность положения бабки в двух
взаимно перпендикулярных плоскостях (по калиброванной контрольной оправке, закрепленной в центрах с помощью двух индикаторов, которые закреплены в суппорте); пригнать бабку по высоте (пришабриванием мостика); отрегулировать положение бабки в горизонтальной плоскости путем ее перемещения в поперечном направлении (подвижный компенсатор).
Содержание операций и переходов технологического процесса сборки
определяется конструкцией изделия, совершенством технологии механической
обработки деталей, организационно-техническими условиями сборочного производства и размерами программного задания. Одной из важных задач разработки технологического процесса сборки является выбор степени его дифференциации.
Технологический процесс сборки обычно разрабатывается в следующей
последовательности:
- в зависимости от программного задания устанавливается целесообразная организационная форма сборки, определяются ее такт и ритм;
- производится технологический анализ сборочных и рабочих чертежей
деталей с позиции отработки технологичности конструкций;
- проводится размерный анализ конструкций собираемых изделий с выполнением соответствующих размерных расчетов, и устанавливаются рациональные методы обеспечения требуемой точности сборки. Определяется вероятное количество деталей и узлов, непригодных для взаимозаменяемости
сборки (при сборке по методу неполной взаимозаменяемости), размеры регулирования и пригонки;
- определяется целесообразная в данных условиях производства степень
дифференциации проектируемого процесса сборки;
- устанавливается последовательность соединения всех сборочных единиц и деталей изделия, и составляются схемы общей и узловых сборок изделия;
- определяются наиболее производительные, экономичные и технически
целесообразные способы соединения, проверки положений и фиксации всех
составляющих изделие сборочных единиц и деталей. Составляется содержание
технологических операций сборки, задаются методы контроля и окончательных испытаний изделия;
- разрабатывается необходимая для выполнения технологического процесса технологическая оснастка;
- проводится техническое нормирование сборочных работ и рассчитываются экономические показатели процесса сборки;
- оформляется техническая документация процесса сборки.
5.5. Машина и сборочные единицы
Сборку любой машины и ее отдельного механизма нельзя осуществлять
в произвольной последовательности. Очередность соединений деталей опре178
деляется, прежде всего, конструкцией собираемого изделия или его частей, а
также степенью дифференциации сборочных работ.
Проектированию технологического процесса сборки предшествует деление изделия на ряд сборочных единиц и деталей. Такое деление проводится на
стадии конструкторской подготовки производства при разработке конструкции изделия и в соответствии с ГОСТ 2.101-68.
ДЕТАЛЬ - это изделие, изготовленное из однородного по наименованию
и марке материала без применения сборочных операций, например, вал, винт,
литой корпус и др. В технологии сборки имеет понятие базовая деталь - деталь
с базовыми поверхностями, выполняющая в сборочном соединении (узле)
роль соединителя звена, которое обеспечивает при сборке соответствующее,
относительное положение других деталей.
СБОРОЧНАЯ ЕДИНИЦА - это изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии-изготовителе путем сборочных операций (свинчиванием, опрессовкой, клепкой, сваркой, пайкой, развальцовкой и т.п.), например, станок, автомобиль, редуктор, сварной корпус и
др.
В литературе термин "сборочная единица" часто заменяется широко распространенным понятием "узел". Более того, для удобства разработки и нормирования технологического процесса сборки узлы условно разделяют на подузлы, узлы первого, второго и более высоких порядков. Обычно узел более
высокого порядка включает в себя один или несколько узлов более низкого
порядка, комплекты и отдельные детали.
КОМПЛЕКС - два и более специфицированных изделий, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но предназначенных для взаимосвязанных эксплуатационных функций. В комплекс кроме изделий, выполняющих основные функции, могут входить детали, сборочные
единицы и комплекты, предназначенные для выполнения вспомогательных
функций, например, детали и сборочные единицы для расширения технологических возможностей станка, для монтажа изделия на месте эксплуатации и др.
КОМПЛЕКТ - два и более изделия, соединенных на предприятии сборочными операциями или представляющий собой набор изделий, имеющих
общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера, например,
комплект запасных частей, комплект инструмента, комплект измерительных
инструментов и т.п.
Составные части (сборочные единицы) могут быть спроектированы с
учетом конструкторских и технологических требований (ГОСТ 3.1108-82).
В соответствии с этими требованиями различают конструктивные сборочные
единицы, технологические сборочные единицы и узлы.
КОНСТРУКТИВНАЯ СБОРОЧНАЯ ЕДИНИЦА - это единица, спроектированная лишь по функциональному принципу, без учета особого значения
условий независимой и самостоятельной сборки. Примером таких сборочных
единиц могут быть механизмы газораспределения, системы топливопроводов
и маслопроводов двигателей и т.п.
179
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СБОРОЧНАЯ ЕДИНИЦА ИЛИ УЗЕЛ, - это сборочная единица, которая может собираться отдельно от других составных частей изделия (или изделия в целом) и выполнять определенную функцию в изделиях одного назначения только совместно с другими составными частями
(ГОСТ 23887-79). Например, головки блоков цилиндров.
Наилучшим вариантом конструкции является сборочная единица, которая отвечает условию функционального назначения ее в изделии и условию
самостоятельной независимой сборки. Это так называемая конструктивнотехнологическая единица. К таким единицам можно отнести насосы, клапаны,
вентили, коробки скоростей, коробки передач и т.п.
Из конструктивно-технологических сборочных единиц формируются агрегаты.
АГРЕГАТ - это сборочная единица, обладающая полной взаимозаменяемостью, возможностью сборки отдельно от других составных частей изделия
(или изделия в целом) и способностью выполнять определенную функцию в
изделии или самостоятельно. Сборка изделия или его составной части из агрегатов называется агрегатной.
Изделие, спроектированное по агрегатному (модульному) принципу,
имеет лучшие технико-экономические показатели, как в изготовлении, так и в
эксплуатации и ремонте: цикл сборки значительно сокращается. Повышается и
качество сборки за счет того, что каждая сборочная единица после ее сборки
может быть испытана по функциональным параметрам независимо от других
сборочных единиц. Значительно улучшаются условия эксплуатации такого изделия, особенно при замене отдельных составных частей. Агрегатная конструкция позволяет ремонтировать каждую составную часть в отдельности, исходя из ее состояния. При этом уменьшается количество изделий, находящихся в резерве, примером агрегатного изделия может служить автомобиль, металлорежущий станок.
Установленная последовательность ввода деталей и групп в технологический процесс сборки изделия характеризует систему его комплектования.
Последовательность комплектования может быть одновариантной для
простых сборочных единиц и многовариантной для комплексных групп и изделий. Примерами одновариантной последовательности комплектования могут
быть сборочные единицы, приведенные на рис.5.1. В первом случае (рис.5.1 а)
в гнездо крышки 1 устанавливается подшипник 2, а затем - стопорное кольцо
3; во втором (рис.5.1б) шарикоподшипник 2 устанавливается на вал-шестерню
1 и стопорится кольцом 3; в третьем (рис.5.1в) - после напрессовки шарикоподшипника на шлицы вала-шестерни 1 устанавливают вторую шестерню 3.
Другие последовательности комплектования здесь невозможны.
Однако в сложных сборочных единицах и изделиях, когда в комплектовании участвуют десятки и сотни деталей, возможен ряд вариантов в последовательности сборки. При большом числе деталей в изделии таких вариантов
может быть очень много. Конструкции машин все более усложняются, и количество деталей и их соединений неуклонно растет. В этом случае возникает
180
задача использования оптимального варианта, обеспечивающего наилучшее
выполнение установленных технических требований к объекту сборки при
минимальных затратах труда и средств.
а
б
в
Рис.5.1. Сборочные единицы одновариантного комплектования:
а - сборка подшипника с крышкой; б - сборка подшипника с вал-шестерней;
в - сборка подшипника с вал-шестерней и шестерней.
При делении изделия на сборочные единицы и детали целесообразно
руководствоваться следующими рекомендациями:
- сборочная единица не должна быть слишком большой по габаритным
размерам и массе или состоять из значительного количества деталей и сопряжений. В то же время излишнее "дробление" машины на сборочные единицы
нерационально, так как это усложняет процесс комплектования при сборке,
создает дополнительные трудности в организации сборочных работ (снабжение сборки узлами и деталями);
- если в процессе сборки требуется проведение испытаний, обката, специальная слесарная пригонка сборочной единицы, она должна быть выделена
в особую сборочную единицу (зубчатая пара заднего моста легкового автомобиля);
- сборочная единица при последующем монтаже ее в машине не должна
подвергаться какой-либо разборке, а если этого избежать нельзя, то соответствующие разборочные работы необходимо предусмотреть в технологии (крышка с корпусом шестеренчатого насоса);
- большинство деталей машин, исключая ее главные базовые детали
(станину, раму и пр.), а также детали крепления, резьбовые соединения, должны войти в те или иные сборочные единицы с тем, чтобы сократить количество
отдельных деталей, подаваемых непосредственно на общую сборку;
- трудоемкость сборки должна быть примерно одинакова для большинства сборочных единиц;
181
- сборочная единица не должна расчленяться как в процессе сборки,
так и в процессе дальнейшей транспортировки и монтажа;
- габаритные размеры сборочных единиц должны устанавливаться исходя из необходимости обеспечения возможности их сборки и с учетом наличия
технических средств их транспортирования;
- сборочным операциям должны предшествовать подготовительные и
пригоночные работы, связанные с резанием металла, которые сводятся в отдельные операции и должны проводиться на специальном рабочем месте или
даже в механическом цехе на станках;
- изделие следует расчленять таким образом, чтобы конструктивные условия позволили осуществлять сборку наибольшего числа сборочных единиц
независимо одна от другой и без ущерба для эксплуатации машин: такое расчленение обеспечивает лучшую ремонтопригодность.
Деление на сборочные единицы сложных машин с большой номенклатурой деталей требует особого внимания и навыка. Пропуск технологом нескольких деталей в этих условиях может изменить темп сборки и вызвать, таким образом, изменение в технологии. В этих случаях часто используют систему карточек, составляемых на каждую деталь. Карточки группируют в порядке последовательности сборки для каждой конструктивно-технологической
сборочной единицы.
5.6. Последовательность сборки машины,
построение схемы и циклограмм сборки
После тщательного изучения конструкции и работы всей машины, отдельных ее агрегатов и сборочных единиц, анализа технических условий на их
изготовление и сборку на основе знания условий конкретного производства,
деления машины на составные части приступают к разработке последовательности сборки.
Информационной основой при разработке последовательности сборки
являются типовые технологические процессы и стандарты на технологические
операции. Простые сборочные единицы или изделия, как правило, имеют одновариантную последовательность ввода деталей в технологический процесс,
сложные - многовариантную.
Последовательность общей сборки машины, в основном, определяется ее
конструктивными особенностями и заложенными в конструкции методами получения требуемой точности. В меньшей мере на последовательность сборки
машины влияет организация сборочного процесса. Общие рекомендации последовательности сборки машины состоят в следующем:
- по чертежу машины и спецификации необходимо выявить все составляющие машину узлы, комплекты и отдельно входящие в нее детали;
- общую сборку машины и сборку любой сборочной единицы следует
начинать с установки на сборочном стенде или конвейере базовой детали; в
182
ряде случаев роль базовой детали может выполнять комплект или даже сложное соединение деталей (например, рама грузового автомобиля);
- смонтированные в первую очередь сборочные единицы и детали не
должны мешать установке последующих деталей и сборочных единиц;
- вначале необходимо собирать сборочные единицы и детали, выполняющие наиболее ответственные функции в работе машины.
То же самое относится к деталям и сборочным единицам, размеры которых являются общими звеньями нескольких параллельно связанных цепей.
Поиск оптимального варианта сборки машины при наименьших затратах
средств и труда является довольно сложной задачей, успешному выполнению
которой в значительной степени способствует проведение размерного анализа
параметров машины.
Схема сборки изделия представляет собой принципиальную последовательность выполнения сборочных приемов, переходов и операций.
Разработку документов для организации технологического процесса
сборки начинают с составления схемы сборки. Разработка технологических
схем сборки создает условия для высококачественного проектирования технологических процессов сборки машин.
Технологическая схема сборки - это наглядное изображение порядка
сборки машины и входящих в нее деталей сборочных единиц или комплектов.
Использование технологических схем сборки целесообразно в любом
производстве. В массовом и серийном производствах технологические схемы
позволяют быстрее освоить сборку сложных машин, когда не налажено еще
стабильное поступление деталей на сборку. При единичном производстве тяжелых машин наличие схем сборки обычно достаточно для осуществления
сборочного процесса.
В дополнение к схемам сборки составляются типовые технологические
инструкции с указанием по выполнению специальных операций, например,
при посадке шарико- и роликоподшипников, по гидравлическому испытанию
узлов и деталей, запрессовке и распрессовке деталей с использованием масла
под высоким давлением, посадке деталей путем нагрева или охлаждения жидким или другим хладагентом, сборке узлов с использованием пластмассовой
прослойки, балансировке, испытанием машины и т.д. При наличии сложных и
ответственных сборочных операций схема сборки должна сопровождаться
указаниями по их выполнению. К схеме следует прикладывать нормировочную ведомость.
Схема дает возможность мастеру и слесарю-сборщику быстро ориентироваться в последовательности сборки имеющихся деталей, не отступая от
технологического процесса, а также устанавливать порядок сборки и поступления деталей. Технологическая схема сборки проектируется технологом.
Органическая связь сборочного процесса с конструкцией изделий требует от технолога перед непосредственным проектированием процесса сборки
тщательного изучения конструктивной связи деталей и сборочных единиц изделия. Технолог должен определить сборочные единицы изделия, выделив ба183
зовые элементы и количество разъемов, проверить возможность обеспечения
требуемой точности сборки, установить шифр или индекс каждой сборочной
единицы для разработки технологической документации.
При выделении сборочных единиц одним из условий является возможность сборки каждой сборочной единицы независимо от других. Кроме сборочных единиц определяют детали и составные части изделия, которые поступают в готовом виде. В результате этого должна быть составлена схема
сборочной связи отдельных деталей и составных частей данного изделия. Эта
сборочная связь определяет сборочный состав изделия.
Подготовка схем сборки значительно облегчается, если имеется образец,
пробная разборка которого упрощает составление этапов сборки.
Технологическая схема сборки является основной для проектирования
технологического процесса сборки. При сборке сложного изделия иногда бывает целесообразно сначала разработать общую схему сборки изделия, и после этого - схему узловых сборок, т.е. сборки узлов 1-го, 2-го и более высоких
порядков.
Эта схема позволяет наглядно представить весь технологический процесс, проверить правильность намеченной последовательности операций. На
этих схемах каждый элемент изделия обозначают прямоугольником, в котором указывают наименование составной части, позицию на сборочном чертеже
изделия, количество. Сборку изделия начинают с базовой детали или базовой
сборочной единицы, к которым присоединяются другие детали и сборочные
единицы. Процесс сборки изображается на схеме горизонтальной (вертикальной) линией в направлении от прямоугольника с изображением базовой детали до прямоугольника, изображающего готовое изделие. Сверху и снизу от горизонтальной линии показывают прямоугольники, условно обозначающие детали и сборочные единицы в последовательности присоединения их к базовой
детали. На схеме сборки также условными обозначениями (кружками, треугольниками с буквами) показывают места регулировки, пригонки и другие
операции. Условная схема сборки редуктора, представленного на рис.5.2, показана на рис.5.3.
Всякий процесс, в том числе и сборочный, протекает в пространстве и
времени. Из этого исходит требование к его четкой организации, как в пространстве, так и во времени. Организация процесса в пространстве включает
в себя оптимальную организацию рабочих мест, их расположение на участке,
техническую оснащенность. Организация процесса во времени включает его
нормирование и определение начала и конца выполнения операций в текущем
времени. Сборочные процессы могут быть организованы во времени последовательно, параллельно или параллельно-последовательно.
Четкую организацию сборочного процесса во времени позволяет осуществить циклограмма сборки.
184
185
Рис.5.3. Принципиальная схема сборки редуктора (рис.5.2).
Рис. 5.2. Чертеж червячного редуктора
ЦИКЛОГРАММА - это графическое представление последовательности
выполнения операций, переходов или приемов сборочного процесса и затрат
времени на их выполнение. При построении циклограммы в вертикальной
колонке построчно записываются все операции, переходы и приемы. Степень
их дифференциации зависит от уровня циклограммы. Например, если строится
циклограмма общей сборки, то в ней может быть достаточно представить
только операции. При построении циклограммы отдельных операций возникает необходимость представления в ней отдельных переходов, приемов и т.д.
На горизонтальной оси циклограммы откладывается текущее время и его затраты на выполнение каждого элемента сборочного процесса.
Анализ циклограммы [27] позволяет определить не только общее время цикла сборки, но и наметить пути его сокращения. Среди таких путей могут
быть выделены два основных, которые наиболее часто используются на практике:
- сокращение затрат времени на выполнение отдельных операций (переходов, приемов) за счет изменения режимов работы сборочного оборудования;
- совмещение во времени отдельных операций (переходов, приемов).
На рис.5.4 представлена циклограмма подузловой сборки редуктора
(рис.5.2).
Установка корпуса редуктора
Сборка червяка и установка
его в корпус
Сборка вала червячного колеса и
установка его в корпус
Сборка крышки с корпусом
Установка крышек подшипников
и верхней крышки
Регулировка и контроль
0
5
10
15 t,мин
Рис.5.4. Циклограмма сборки червячного редуктора.
5.7. Структура и организация сборочных операций
Организационная форма сборки машин определяется типом и условиями
производства. При этом решающими факторами являются: объем выпуска изделий в календарном периоде времени по неизменным чертежам и экономическая эффективность. Организационные формы сборки машин представлены на
рис.5.5.
186
Организационные формы сборки
Непоточная
Стационарная
Без расчленения сборочных работ
Бригадный
метод
Поточная
Подвижная
С расчленением сборочных
работ
С расчленением сборочных работ
С расчленением сборочных
работ
Со свободным С принудитеперемещением льным переобъекта
мещением
сборки
сборки
По рольгангу
на тележках
Стационарная
Подвижная
С принудиСо свободным тельным пеперемещением ремещениобъекта
объекта
сборки
сборки
На конвейере с
периодическим
движением
На непрерывно
движущемся
конвейере
Рис.5.5. Организационные формы сборки машин
Непоточная стационарная сборка без расчленения сборочных работ характерна тем, что весь процесс сборки выполняется на одной сборочной позиции: стенде, станке, рабочем месте. Сборочные работы выполняются, как правило, одним рабочим или бригадой рабочих последовательно, т.е. от начала до
конца.
Надо заметить, что бригадный метод является первым шагом на пути
расчленения сборочного процесса, ибо внутри бригады может иметь место определенная дифференциация работ: одни рабочие специализируются на одной
группе сборочных операциях, другие - на другой.
Достоинствами этого метода сборки являются:
- сохранение неизменного положения базовой детали, что способствует
достижению высокой точности собираемого изделия;
187
- использование универсальных транспортных средств, приспособлений
и инструментов, что сокращает продолжительность и стоимость технологической подготовки производства.
К недостаткам метода следует отнести:
- увеличенную длительность общего цикла сборки, выполняемой последовательно;
- требование высокой квалификации рабочих.
Областью применения такой организации сборки являются единичное и
мелкосерийное производство с крупногабаритными изделиями.
Непоточная стационарная сборка с расчленением сборочных работ предполагает дифференциацию процесса на узловую и общую сборку. Сборка каждой единицы и общая выполняются в одно и то же время разными сборщиками
или бригадами. Собираемая машина остается неподвижной на одном стенде. В
результате такой организации длительность процесса сборки сокращается.
Расчетное количество рабочих позиций или стендов для параллельной
сборки одинаковых объектов определяется по формуле:
γ0=
T0 − Tc
,
T
где T0 - расчетная трудоемкость всех переходов одного объекта;
Tc - расчетная трудоемкость переходов, выполнение которых совмещено во времени с выполнением переходов на других объектах;
T - расчетный такт сборки.
Непоточная подвижная сборка характеризуется последовательным перемещением собираемого изделия от одной позиции к другой. Перемещение
может быть свободным или принудительным. Технологический процесс при
этом разбивается на отдельные операции, выполняемые одним или несколькими рабочими.
Сборка со свободным перемещением собираемого объекта заключается в
том, что рабочий, закончив свою операцию, с помощью средств механизации
или вручную, перемещает собираемую сборочную единицу на следующую рабочую позицию.
Сборка с принудительным перемещением собираемого объекта состоит в
том, что объект сборки передвигается при помощи конвейера или тележек,
имеющих общий привод.
Расчетное количество рабочих позиций, которые должен пройти собираемый объект в процессе сборки, определяется как
q1 =
T0 − Tc
,
(T − t n ) ⋅ γ 1
где tn - расчетное время, необходимое для перемещения одного собираемого объекта с рабочей позиции на следующую ;
188
γ1 - количество параллельных потоков, необходимых для выполнения производственной программы параллельной сборки одинаковых собираемых объектов.
Количество параллельных потоков определяется по формуле:
T0max
− tn
γ1= n
,
T
max
где Tоп - продолжительность наиболее длительной сборочной операции (трудоемкость всех несовмещенных переходов, составляющих наиболее
длительную операцию).
Поточная сборка характеризуется тем, что операции выполняются за
одинаковый промежуток времени - такт, или за промежуток времени, кратный
такту. Одной из форм поточной сборки является поточная стационарная сборка. При такой организации сборки все собираемые объекты остаются на рабочих позициях в течение всего процесса сборки. Рабочие или бригады последовательно переходят от одних собираемых объектов к следующим через периоды времени, равные такту. Каждый рабочий или бригада выполняет закрепленную за ними одну и ту же операцию на каждом собираемом объекте.
Расчетное количество рабочих или бригад, необходимых для одного потока, подсчитывается по формуле:
q2 =
(
T0 − Tc
)
T − tp ⋅γ 2
,
где tp - расчетное время для перехода рабочих или бригады от одних собираемых объектов к другим;
γ2 - количество параллельных потоков.
Количество параллельных потоков γ2 определяется как
T0max
− tp
γ2= n
.
T
Поточная стационарная сборка используется при сборке крупных и громоздких изделий, неудобных для транспортирования. Основными преимуществами такого вида сборки являются: равномерный выпуск продукции, короткий цикл сборки, высокая производительность.
Поточная подвижная сборка как и неподвижная может быть организована со свободным или с принудительным ритмом.
Поточная сборка сокращает длительность производственного цикла,
уменьшает межоперационные заделы деталей, повышает специализацию
сборщиков и возможности механизации и автоматизации сборочных операций,
что в конечном счете приводит к снижению трудоемкости сборки на 35-50%.
Главным условием организации поточной сборки является обеспечение
взаимозаменяемости собираемых узлов и отдельных деталей, входящих в поточную сборку. В случае необходимости использования пригоночных работ
они должны осуществляться за пределами потока на операциях предваритель189
ной сборки. Конструкция собираемого на потоке изделия должна быть хорошо
отработана на технологичность.
Организация поточной сборки экономически целесообразна при большом объеме выпуска изделий.
Расчетное количество рабочих позиций, которые должен пройти в процессе сборки собираемый объект, подсчитывается по следующим формулам:
- при сборке с непрерывным движением объекта
q3 =
T0 − Tc
,
T − t' р ⋅γ 3
(
)
- при сборке с периодическим движением собираемого объекта
q4 =
T0 − Tc
,
T − t" р ⋅ γ 2
(
)
где t’р - расчетное время, необходимое рабочему для возвращения в исходное положение после выполнения операции;
t”р - расчетное время, необходимое для перемещения одного собираемого объекта с одного рабочего места на следующее.
Особый интерес представляет развитие поточных принципов сборки для
условий производств, выпускающих одновременно несколько изделий. Институтом Оргстанкинпром совместно с ведущими заводами разработана организация сборочных работ на переменно-поточном конвейере с регламентированным ритмом.
Благодаря этому удалось успешно вести на одном конвейере одновременно сборку нескольких изделий с различными темпами.
Практически эта организация сборки осуществлена так: ряд штырей, укрепленных на конвейерной цепи, увлекает при своем движении лотки с комплектами деталей для сборки определенных изделий. Эти комплекты устанавливают в лотки в комплектовочном отделении до начала сборки. За каждым
изделием закрепляется определенное количество лотков, расположенных на
линии сборки в соответствии с ритмом сборки этого изделия (рис.5.6).
Для удобства комплектования и опознавания на линии сборки лотки для
различных изделий окрашены в разные цвета, а для распределения лотков на
дублирующих рабочих местах они снабжены нумерацией. В конце сборочной
линии находится приемный пункт, где собранные изделия осматриваются и
отправляются по транспортеру в упаковочное отделение.
При поточном методе узловую сборку целесообразно располагать перпендикулярно линии общей сборки изделия таким образом, чтобы конечная
операция сборки узла совершалась вблизи места установки этого узла на линии общей сборки (рис.5.7).
88
87
86
85
84
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105
63
58
64
65
62 61 60 59
57
56
34
29
35
36
3319032 31 30
28
27
5
1
6
7
106
4 3 2
107
108
Условные обозначения :
- лотки для изделия № 1
- лотки для изделия № 2 и № 3
- лотки для изделия № 4 и № 5
- лотки для изделия № 6
- запасные места для лотков
Рис.5.6. Схема расположения лотков на переменно-поточном
сборочном конвейере
Поток общей сборки изделия
Камеры окраски
и сушки
кран
Линии
узловой
сборки
Рабочие
места
сборщиков
Грузопоток деталей со склада
Рис.5.7. План-схема потоков узловой и общей сборки изделия
На практике часто встречается организация сборки узлов в одном цехе, а
общей сборки машины - в другом. Схема такой организации показана на
рис.5.8.
191
2
узел1
3
1
5
узел2
4
узел3
узел4
а
б
Рис.5.8. Схема организации работ при выполнении узловой и общей
сборки в разных помещениях
Конвейеры 1 узловой сборки расположены параллельно в несколько рядов. Детали для сборки подаются по подвесному транспортному конвейеру 2.
На подвесках этого конвейера укреплены этажерки с тарой (рис.5.8а), окрашенной в разные цвета, соответствующие номерам узлов на сборочных конвейерах. Комплекты деталей для сборки укладываются в тару в комплектовочном складе 3 и помещаются в медленно движущиеся этажерки.
Рабочие на первых операциях сборочных конвейеров вынимают ящики тару соответствующего цвета, перекладывают комплект деталей в тару, укрепленную на конвейере, а пустой ящик вставляют обратно в этажерку (эту же
или другую). Этот комплект деталей питает все рабочие места сборочного
конвейера. На конечном рабочем месте собранный узел устанавливается в тару (того же цвета, что и в начале сборки), последняя вдвигается сборщиком в
одну из этажерок подвесного транспортного конвейера 4 и он подает эти узлы
на общую сборку (рис.5.8б). Отдельные детали, которые должны поступать на
общую сборку не в составе узлов, помещаются в тару в комплектовочной кладовой 5. Транспортный конвейер 4 проходит вдоль линии общей сборки 6 и
требуемые на соответствующих рабочих местах узлы и детали (опознаются по
цвету тары) извлекаются из этажерок, а освободившаяся тара отправляется на
загрузку. Строгое соблюдение ритма транспортных конвейеров 2 и 4 и сборочных конвейеров узловой и общей сборки необязательно. Если по какойлибо причине детали или собранные узлы на линии в данный момент не требуются, этажерка совершает второй оборот.
В табл.5.3 приведены основные организационные формы сборочных работ в машиностроении, в зависимости от типа производства.
Таблица 5.3
Основные организационные формы сборочных работ в машиностроении
192
Тип производства
Единичное и мелкосерийное
Мелкосерийное
Серийное
Серийное и крупносерийное
Крупносерийное и
массовое
Организация сборочных работ
Стационарная сборка без расчленения процесса. Объект сборки
один, неподвижен. Все работы выполняются одной бригадой высококвалифицированных сборщиков, работы по видам заранее между
ними не расчленены
Стационарная сборка с дифференциацией работ. Объект сборки
один, неподвижен. Весь объем сборочных работ заранее расчленен
на комплексы и закреплен за отдельными рабочими бригадами, специализирующимися на соответствующих видах работ
Стационарная поточная сборка с дифференциацией работ и регламентированным темпом при большом оперативном времени. Объектов сборки несколько, они расставлены на стендах в линию. Объем
сборочных работ расчленен на комплексы, количество которых равно числу одновременно собираемых изделий. В сборке участвуют
столько бригад, сколько объектов. Каждая бригада специализируется
на одном комплексе работ. Выполнив комплекс, на одном объекте,
она переходит на новый объект.
Подвижная поточная сборка с дифференциацией процесса на операции и передачей собираемого объекта от одного рабочего места к
другому вручную или посредством механических транспортирующих устройств. Темп сборки регламентирован , но объекты сборки
механически между собой не связаны. Возможно накапливание на
отдельных рабочих местах заделов.
Подвижная (с периодическим или непрерывным перемещением объекта ) поточная сборка с дифференциацией процесса на операции и
переходы. За каждым рабочим местом закреплен определенный объем работ. Число рабочих мест равно числу операций. Темп строго
регламентирован. Собранное изделие сходит с линии по истечении
промежутка времени, равного темпу.
5.8. Нормирование сборочных операций, организация и
планирование рабочих мест сборщиков
5.8.1. С т р у к т у р а и о п р е д е л е н и е н о р м в р е м е н и н а о
перации
Важной частью организации и планирования сборочных работ является
определение норм времени на сборочные операции. На основе технического
нормирования определяется трудоемкость сборочных работ, производительность рабочих мест, устанавливаются расценки, осуществляют календарное
планирование производства, реконструируют действующие и проектируют новые сборочные цехи.
Норма времени по ГОСТ 3.1109-82 - это регламентированное время выполнения некоторого объема работ в определенных производственных условиях одним или несколькими исполнителями соответствующей квалификации.
В машиностроении и, в частности при сборке, норма времени устанавливается на технологическую операцию.
193
Как и при механической обработке заготовок деталей, так и при сборке
машин различают три метода нормирования времени:
- технический расчет норм по нормативам;
- расчет норм на основе изучения затрат рабочего времени
наблюдением (хронометражем и фотографированием);
- определение по укрупненным нормативам (опытно-статистический метод).
Техническое нормирование - это установление обоснованных норм расхода производственных ресурсов (ГОСТ 3.1109-82). Под производственными
ресурсами понимаются энергия, сырье, материалы, инструмент, рабочее время
и т.д.
Задачами технического нормирования являются: выявление резервов рабочего времени, улучшение организации труда на предприятии и, в конечном
счете, - повышение производительности труда и увеличение объема производства.
Технически обоснованной нормой времени называют регламентированное время выполнения технологической операции в определенных организационных технических условиях, наиболее благоприятных для данного производства.
Норма штучного времени на сборочные операции состоит из:
- основного (технологического) времени T0 ;
- вспомогательного времени Tв ;
- времени на обслуживание рабочего места T обсл.;
- времени на отдых и личные надобности Tотд.
T шт.= T0 + T в. + Tобсл.+ T отд.
Время на обслуживание рабочего места и отдых нормируется в процентах от оперативного времени, определяемого как
T оп.=Tо + Tв .
Тогда
А + Аобсл ⎞
⎛
Т шт = Tоп ⎜ 1 + отд
⎟ К,
100
⎝
⎠
где Aотд. - процент оперативного времени для отдыха;
Aобсл. - процент оперативного времени для обслуживания рабочего
места;
K - поправочный коэффициент на оперативное время, учитывающий
количество приемов, выполняемых рабочим.
Нормирование сборочных работ ведется по нормативам времени на слесарно-сборочные работы.
При сборке изделий партиями определяется штучно-калькуляционное
время по формуле
Тшт
-к
= Tшт. +
194
Тп.-з.
,
n
где Tп.-з. - подготовительно-заключительное время на партию изделий;
n - размер партии изделий.
При поточной сборке в состав штучного времени включается время на
перемещение собираемого изделия (при периодически движущимся конвейере) или на возвращение рабочего в исходную позицию (при непрерывно движущемся конвейере). Если эти времена перекрываются другими элементами
штучного времени, то они не учитываются.
Обеспечение синхронизации операций в условиях поточного производства часто требует корректировки ранее принятых решений: изменения содержания операций путем их совмещения или расчленения, использования более
производительных средств оснащения и т.п.
Уменьшению времени выполнения сборочных операций в значительной
степени способствует технологичность конструкций собираемых изделий.
Анализ технологичности изделия проводится как на стадии его проектирования, так и изготовления. Под технологичностью конструкции изделия понимается совокупность свойств конструкции, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической
подготовке производства, изготовления, эксплуатации и ремонта по сравнению с соответствующими показателями однотипных конструкций изделий того же назначения.
Правила обеспечения технологичности конструкции сборочных единиц
установлены ГОСТ 14.203-73 и предусматривают нижеследующие требования
к оформлению конструкции:
- возможность сборки машин из обособленных сборочных единиц без
повторной разборки;
- максимальное использование стандартных и унифицированных сборочных единиц и деталей;
- сокращение объема пригоночных работ;
- сокращение длительности цикла узловой и общей сборки и снижение ее
себестоимости.
5.8.2.О р г а н и з а ц и я и п л а н и р о в а н и е р а б о ч и х м е с т
Организация рабочего места сборщика весьма существенно влияет на
производительность труда. На своем рабочем месте сборщик воздействует через орудия труда на предметы труда. В таком случае, если организация рабочего места позволяет сборщику экономить затраты труда на элементы сборки
то, естественно, производительность процесса возрастает.
Под организацией рабочего места подразумевается правильная расстановка и удобная конструкция верстаков, рациональные движения сборщика,
правильная схема расположения на рабочем месте инструментов, приспособлений и вспомогательных материалов, особенности освещения и режима труда
и т.д. Главным элементом организации рабочего места и планирования всего
195
сборочного участка является соблюдение всех требований по охране труда
сборщика.
Одним из наиболее часто используемых элементов в организации рабочего места является верстак (в отдельных случаях стол). На верстак устанавливают стойки для крепления ламп освещения и световой сигнализации, инструментальные ящики, отдельные ячейки для хранения мелких деталей
В определенных случаях на верстаках производят сборку тяжелых узлов,
тогда возникает необходимость использования кантователей. На рис.5.9. показана схема специального верстака с пневмогидравлическим кантователем.
Стол верстака выполнен в виде двух створок, связанных шарниром. Каждая
створка может быть поднята или опущена с помощью гидроцилиндра. В центральной тумбе стола размещен пневмогидравлический цилиндр.
Рис.5.9. Схема специального верстака с пневмогидравлическим кантователем:
1 - распределительные краны; 2
- дроссели.
В некоторых случаях для сборки отдельных узлов используются различной конструкции стеллажи, в том числе и механизированные.
Особое внимание при сборке следует уделять вопросам охраны труда,
т.к. проводится она в основном вручную с использованием прессов, молотков,
гайковертов, гаечных ключей и других устройств не отличающихся конструктивной направленностью на охрану труда при их использовании.
196
6. МЕХАНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ
СБОРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ
Технологические процессы получения заготовок и их механической обработки в условиях массового и серийного производства обычно опираются на
развитую механизацию и автоматизацию вплоть до создания автоматических
линий, участков и цехов. Что касается сборки, то она даже в массовом производстве зачастую осуществляется вручную и требует больших затрат физического труда и высокой квалификации рабочих. Структура сборочных работ в
различных отраслях машиностроения представлена в табл.6.1.
Таблица 6.1
Структура сборочных работ (в % от общего объема сборочных работ)
Отрасль машиностроения
Тяжелое машиностроение
Станкостроение
Автомобилестроение
Тракторное и сельхозмашиностроение
Электромашиностроение
Механизированные
работы
15-20
22-25
50-55
40-50
25-30
Ручные работы
80-85
75-78
45-50
50-60
70-75
Автоматизацией в республиках СНГ охвачено в среднем пока 7% общего
объема сборочных работ. Это прежде всего обусловлено особенностями сборочных процессов:
- сложностью и разнообразием объемов сборки и необходимой для сборки оснастки;
- коротким циклом операций сборки (иногда доли секунды);
- нежесткостью или упругостью деталей;
- сложностью исполнительных движений рабочих органов манипуляторов, роботов и т.п.
- необходимостью в регулировке, пригонке и учете малых допусков в сопряженных деталях.
По некоторым данным на автомобильных заводах США до 50% рабочих
выполняют сборочные операции. Самое главное, что в последние десятилетия
доля трудоемкости сборочных операций не сокращается, а наоборот возрастает, что связано с более высокими темпами внедрения процессов автоматизации
на стадии получения заготовок и формирования из них деталей. Переход от
ручной сборки к автоматической сопряжен с большими трудностями, как технологического, так и конструкторского характера.
Автоматические линии сборки относительно хорошо себя зарекомендовали при сборке изделий из 5-10 деталей. При наличии большого количества
деталей в изделии линия отличается сложностью конструкции и пониженной
надежностью работы.
198
6.1. Механизация технологических операций
Надо учитывать, что оборудование сборочных цехов может быть разделено на две группы: технологическое, предназначенное непосредственно для
выполнения работ по осуществлению подвижных или неподвижных сопряжений деталей, их регулировке и контролю в процессе узловой и общей сборки и
вспомогательное, назначение которого - механизировать все виды вспомогательных работ, объем которых при сборке изделий весьма значим.
Ниже приведены примеры сборочных устройств, предназначенных для
механизации операций.
На рис.6.1 показано приспособление для обеспечения точной установки
охватываемой и охватывающей деталей при их соединении и механизации
процесса. В данном случае корпус узла 1, в который запрессовывается подшипник 2, центрируется на бурте специальной подставки 6. Эта же подставка
центрирует своим коническим отверстием скалку 3, по которой перемещается
прессующий ползун 4. Упругая вставка 5, соединенная с ползуном, служит для
центрирования и удержания подшипника до начала процесса сопряжения.
Для механизации технологических процессов сборки на машиностроительных предприятиях широкое использование получили различные гайковерты, пневмо- и гидроскобы, электромолотки и другие устройства.
Рис.6.1. Чертеж приспособления для запрессовки подшипников
Одним из направлений, ускоряющих технологический процесс механической обработки в условиях серийного и массового производства, является
изготовление деталей машин на настроенных станках методом автоматического получения размеров. При использовании такого метода обработки деталей
сопряжений с натягом типа "втулка-корпус", выполняющих роль подшипников
скольжения, с условием полного использования полей допусков на сопрягае199
мые поверхности и отверстия втулок, возникает сложная задача обеспечения
требуемой чертежом точности диаметральных размеров отверстий в партии
запрессованных втулок.
На рис.6.2 построены поля допусков для наружной и внутренней поверхностей втулок ( поз.(1) и (3)), а также для отверстий корпусов (2) до запрессовки. Запрессовка втулок приводит к появлению как минимальной -Δmin, так и
максимальной -Δmax усадки их отверстий (4):
Рис.6.2. Схема расположения полей допусков в партии "втулка-корпус”
Δmin = δ dmin - δ do max ; Δmax = δ dmax - δ do min .
Допуск на отверстия втулок - δd1 (3) является величиной, способствующей компенсации усадки этих отверстий при запрессовке, так как возможен
вариант (5),
где Δ′mах = δ dmах - δ dо min - δ d1 max ;
200
причем Δ′mах - усадка, находящаяся в зоне исправимого брака.
Уменьшить величину брака можно корректировкой размеров отверстий
втулок перед сопряжением, при этом нельзя допустить появление неисправимого брака. Из схемы расположения полей допусков (рис.6.2) видно, что корректировку отверстий втулок необходимо производить в сторону их увеличения со смещением поля допуска от нулевой линии на величину -Δmin (6). В этом
случае имеет место наилучший вариант компенсации усадки (7). Однако, и при
таком варианте изготовления втулок после их сопряжения с корпусами имеет
место брак - Δ′mах .
Наиболее перспективным способом получения заданных чертежом размеров отверстий запрессованных втулок является их калибрование в сопряженном состоянии методами поверхностного пластического деформирования
(ППД) с использованием в качестве инструментов дорнов или ротационных
протяжек.
На рис.6.3 показана схема изменения диаметров отверстий в партии запрессованных втулок под воздействием натяга ППД, а на рис.6.4 приведен
один из вариантов зависимости - приращение диаметра отверстий втулок. При
этом приняты следующие условные обозначения:
dп.з. и dп.к. - диаметры отверстий втулок после запрессовки и калибрования;
dд и iпл. - диаметр дорна и натяг ППД;
Δпр. и Δупр. - остаточная и упругая деформации.
В этом случае (рис.6.3) можно записать:
dп.к. min - dп.з .min = iпл.max - Δ1 упр. ;
dп.к. max - dп.з .max = iпл.min - Δ2 упр.
С другой стороны:
iпл.max = dд - dп.з .min; iпл.min = dд - dп.з .max.
Совместное решение приведенных зависимостей позволяет определить
диаметры отверстий втулок после калибрования:
dп.к. min = dд - Δ1 упр.; dп.к. max = dд - Δ2 упр.
Таким образом, размах варьирования эмпирического распределения диаметральных размеров отверстий втулок равен разнице упругих деформаций: Δ1
упр.-Δ2 упр.
Как видно из рис.6.4, (iпл.max - iпл.min) > (Δ1 упр.-Δ2 упр), что предусматривает
предпосылки к сужению полигона распределения размеров отверстий в партии
запрессованных втулок. Так, изменение натяга ППД в пределах от 0,11 до 0,19
мм приводит к приращению диаметров отверстий от 0,045 до 0,095 мм (рис.6.4)
и ожидаемый коэффициент уточнения равен 0,08/0,05=1,6.
Экспериментально-исследовательские работы, проведенные на кафедре
технологии машиностроения Могилёвского государственного технического
университета, показали, что использование дорнования или ротационного протягивания с целью калибрования отверстий в запрессованных втулках из стали
и бронзы позволяет обеспечивать точность диаметральных размеров в пределах 7...8 квалитетов (СТ СЭВ 145-75).
201
На рис.6.5 показаны полигоны распределения диаметральных размеров
отверстий партии втулок из стали 45, скрепленных со стальными корпусами
Рис .6.3. Схема изменения диаметров отверстий в
партии запрессованных втулок
Рис.6.4. Зависимость "натяг ППД - приращение отверстий втулок"
по посадке ∅63Н8/и8. Полигон 1 характеризует распределение размеров до запрессовки, 2 - после запрессовки, 3 -после калибрования дорном диаметром
60,09 мм. Как видно из рис.6.5, запрессовка увеличивает рассеяние размеров с
0,06 до 0,09 мм или в 1,5 раза, а дорнование сузило этот полигон до 0,05 мм.
Результаты статистических исследований показывают, что конусность и эллипсность с 0,04 мм после запрессовки уменьшаются до 0,021 после калибро202
вания, а вероятностный брак не превышает 0,65% .
Еще больший эффект по улучшению точностных параметров был получен при калибровании отверстий партии запрессованных бронзовых втулок,
где поле допуска сузилось в 1,7 раза, до 0,04 мм, а конусность и эллипсность
после калибрования не превысили 0,013 мм.
Кроме этого установлено, что калибрование позволяет увеличить износостойкость поверхностей на 40-80% и существенно повысить прочность прессового соединения.
В результате того, что продольное сопряжение втулок с корпусами, а
также дорнование и ротационное протягивание осуществляются на оборудовании, имеющим только одно рабочее движение-перемещение вдоль оси втулки,
имеется возможность совмещения этих процессов.
На рис.6.6 показана конструктивная схема приспособления, позволяющего механизировать процессы запрессовки втулок и калибрования в них отверстий.
Рис.6.5. Полигоны размеров отверстий втулок (1 - после растачивания;
2 - после запрессовки; 3 - после дорнования)
Приспособление состоит из устройства 11, установленного на вилке 6 и
предназначенного для совмещения операций прессования и калибрования.
Вилка 6 посредством направляющей втулки 7, шайбы 5 и пружины 4 имеет
возможность вертикального перемещения по скалке 2, находящейся на основании 1. Резиновые кольца 8 и гайки 9, 10 ограничивают крайнее верхнее перемещение вилки, а упор 3 - угловое.
203
Принцип работы этого приспособления заключается в следующем. Для
установки втулки 13 в отверстие корпуса 14 вилка 6 вместе с прессующим
Рис.6.6. Схема устройства для механизации процессов запрессовки
втулок и калибрования в них отверстий
устройством 11 отводится влево, а после установки втулки доводится до упора
3, за счет чего точно ориентируется по отношению к сопрягаемой паре. Пружина 4 не препятствует перемещению устройства вниз при запрессовке втулки,
а после окончания процесса она удерживает прессующее устройство в исходном положении. Резиновые кольца - демпферы 8 способствуют гашению удара
204
вилки при ее отскоке вверх, который происходит при попадании роликов замка
15 на скос корпуса устройства 11.
После того как втулка установлена в отверстие корпуса, а вилка подведена к упору 3, через отверстия устройства, втулки и корпуса устанавливается
ступенчатая скалка 12 с закрепленным в верхней части дорном. Затем скалка
соединяется с захватывающим патроном пресса и, перемещаясь вниз, запрессовывает втулку 13 в корпус 14. При соприкосновении нижнего торца корпуса
прессующего устройства с торцем охватывающей детали корпус останавливается, а прессующая втулка 11 продолжает двигаться вниз до тех пор, пока ролики 15 не попадут на скосы и не освободят тягу с дорном, которые, продолжая
движение вниз, калибруют отверстие в только что запрессованной втулке.
На рис.6.7 показано устройство, автоматизирующее многие переходы
процессов запрессовки втулок и калибрования в них отверстий ротационным
протягиванием.
Устройство имеет ротационную протяжку, перемещающуюся по скалке
1 и состоящую из сепаратора 2 с полноконтактными роликами 3. Это протяжка
размещена внутри корпуса 4 вместе с заклинивающим механизмом, состоящим
из шариков 5, равномерно расположенных в канавке сепаратора 2, втулки 6,
пружины 7. Регулирование усилия действия шариков 5 на скалку 1 производят
при помощи гаек 8-11. В верхней части сепаратора 2 предусмотрен фиксатор,
состоящий из шара 12, пружины 13, винта 14.
Для свободного вращения скалки 1 и ее центрирования относительно обрабатываемого отверстия она соединена с нижним хвостовиком 15 посредством стакана 16, винта 17 через промежуточный подшипник 18 и сферическую
шайбу 19. Запрессовочный элемент состоит из регулировочных гаек 20 и 21,
вкладыша 22, шаров 24 и направляющей части 25.
Устройство работает следующим образом. В исходном положении скалку 1 прикрепляют к верхнему суппорту станка. При этом корпус 1 вместе с
прикрепленными к нему гайками 20,21 и вкладышем 22 упирается внутренним
торцом в верхний торец ротационной протяжки и находится в подвешенном
состоянии. Втулка 23, установленная с зазором с направляющей 25 и корпусом 1,
под действием собственного веса смещена вниз до упора выступом D в верхний торец гайки 20, при этом шары 24, находящиеся в процессе работы в конических отверстиях втулки 23, смещены в свободное пространство между корпусом 1 и втулкой 23.
После установки запрессовываемой втулки 26 на корпусную деталь 27
все устройство перемещается вниз, при этом хвостовик входит в отверстие сопрягаемых деталей к нижнему суппорту станка. При последующем перемещении всего устройства вниз втулка 23 упирается в торец запрессовываемой
втулки 25 и остается на месте, а вкладыш 22 своей внутренней конической поверхностью воздействует на шары 24 и заставляет их перемещаться по выступу
D, пока они не попадут в конические отверстия втулки 23. При этом происходит заклинивание шаров 24 между поверхностью направляющей 25 и вклады205
ша 22. Это позволяет, во-первых, при дальнейшем перемещении всего устройства вниз запрессовать втулку 26, во-вторых, после того как гайка упрется в
корпусную
Рис. 6.7. Общий вид устройства для запрессовки втулок и калибрования
206
отверстий ротационным протягиванием
деталь 27, направляющую 25 и втулку 23 смещать относительно корпуса 1, так
как последний не может перемещаться вниз. Запрессовка будет продолжаться
до тех пор, пока втулка 23 не займет крайнее нижнее положение относительно
корпуса 1 и направляющая 25, действуя на шары 24, не заставит их перемещаться в свободное пространство, освобождая при этом калибрующую часть
устройства для дальнейшего перемещения вниз. На этом стадия запрессовки в
корпусную деталь 27 втулки 26 заканчивается и начинается калибрование отверстия ротационной протяжкой. В первоначальный момент полноконтактные
ролики 3 заклиниваются между поверхностью запрессованной втулки и скалкой 1 благодаря установленному в устройстве заклинивающему механизму,
который исключает проскальзывание роликов 3 относительно скалки 1 в первоначальный момент калибрования, что позволяет совместить по времени
окончание процесса калибрования поверхности и попадания роликов 3 в выточку А. После заклинивания полноконтактных роликов 3 между поверхностью запресованной втулки 26 и скалки 1 при перемещении последней давление на шарики 5 начинает возрастать, и при достижении определенного значения установленного гайками 8-11, шарики 5 выходят из выточки С, смещая
подпружиненную втулку 6 вниз и тем самым давая возможность ротационной
протяжке свободно калибровать поверхность. После калибрования всей поверхности ролики 3 размещаются в выточке А скалки 1 и параллельно с этим
шар 12 попадает в выточку В и удерживает ротационную протяжку в таком положении.
Затем хвостик 15 открепляют от нижнего суппорта станка, а скалка 1
присоединяется к верхнему суппорту и получает поступательное движение
вверх. Ротационная протяжка свободно выходит из отверстия. При дальнейшем
перемещении скалки 1 ротационная протяжка будет также подниматься до достижения сепаратором 2 внутреннего торца корпуса 4, при этом усилие, действующее на шар 12 фиксатора, начнет возрастать из-за невозможности ротационной протяжки перемещаться вверх и при достижении определенной величины, установленной винтом 14, шар 12 выйдет из выточки В. При этом ротационная протяжка будет перемещаться вниз под действием собственного веса,
пока шарики 5 не попадут в выточку С, выполненную на поверхности скалки 1.
Затем устройство возвращают в исходное положение. При помощи устройств механизации устаналивают новую корпусную деталь и запресовываемую втулку, затем цикл работы повторяется.
6.2. Механизация вспомогательных процессов сборки машин
К вспомогательному сборочному оборудованию относятся устройства
для транспортировки, подъема, установки, кантования отдельных деталей и
узлов в целом.
На схеме (рис.6.8) приведена классификация подъемно-транспортных
средств для сборочных производств.
207
Приведенные на схеме подъемные и подъемно-транспортные средства, за
исключением некоторых видов электрических и пневматических подъемников,
а также легких поворотных и напольных кранов, в основном используют при
стационарной сборке; подъемники и краны - при стационарной и подвижной
сборке, а транспортные средства предназначены, главным образом, для подвижной сборки машин.
Подъемно-транспортные средства
для сборочных цехов
Подъемные
Гидравлические,
пневматические
и гидропневматические домкраты
Электрические
лебедки
Полиспасты
Подъемно-транспортные
Тельферы
Кран - балки
Транспортные
Рольганги
Мостовые краны
Тележки
рельсовые и
безрельсовые
Поворотные краны
Конвейеры
Передвижные напольные краны
Тали
Электро- и пневмоподъемники
Подъемники-кан
тователи и другие
специальные
устройства
Рис.6.8. Схема классификации подъемно-транспортных средств
для сборочных производств
Значительную долю трудоемкости сборочных работ составляют затраты
времени на горизонтальное перемещение объектов сборки. Для снижения этой
доли при ручном перемещении собираемых изделий используют рольганги,
рельсовые и безрельсовые пути с тележками, а при более высокой степени механизации и автоматизации - конвейеры.
6.3. Автоматизация операций
208
Переход от ручной сборки к автоматической сопряжен с большими трудностями как технологического, так и конструктивного характера.
О задачах, решаемых при переходе от ручной сборки к автоматической
можно судить, рассмотрев пример сборки простейшей сборочной единицы
типа “вал-втулка”.
6.3.1. Сущность процесса соединения двух деталей для
обеспечения их автоматической сборки
Если допустить, что партия валов и втулок находится в отдельных магазинах (или тарных ящиках), то ручная сборка начинается с ориентации руки
рабочего относительно одного из ближайших валов. После того, как руки сориентированы, происходит захват вала и его перемещение в пространстве к рабочему приспособлению.
Далее вал должен быть сориентирован в пространстве своими поверхностями относительно сборочного приспособления. Затем этот вал устанавливают на приспособление в .требуемом положении (точность базирования вала
обеспечивается приспособлением).
То же происходит со втулкой. При перемещении ее в пространстве рабочий
ориентирует ось отверстия втулки относительна оси вала, на который она устанавливается. Рабочий после монтажа должен сориентировать руку относительно сборочной единицы, взять ее и переместить на отведенное место.
Результаты анализа рассмотренного примера указывают на то, что сущность процесса сборки заключается: в ориентации с требуемой точностью руки рабочего относительно определенных поверхностей деталей, подлежащих
соединению; захвате детали; ее перемещении в пространстве к сборочному
приспособлению или сопрягаемой детали; ориентации детали с требуемой точностью относительно поверхности сопрягаемой детали или поверхности приспособления; сопряжении деталей, ориентируемых одна относительно другой,
установленных в приспособлении с требуемой точностью. Таким образом, при
автоматизации сборки необходимо разработать конструкцию автомата, включающего механизмы, заменяющие руку человека и осуществляющие все ее
движения - ориентацию деталей, их захват, перенос в пространстве, установку
на сборочные приспособления, ориентацию детали относительно другой с требуемой точностью, монтаж.
На рис.6.9 представлена схема работы такого автоматического устройства.
Одна или две механические руки 1, 2 ориентируются относительно двух деталей 4 и 10 собираемого соединения, лежащих в двух магазинах 5 и 9 захватывают их перемещают к сборочным приспособлениям 6, 7 и устанавливают их
на эти приспособления с требуемой точностью. Положение одной из деталей 4
фиксируется зажимом. Другая деталь 10 каким-либо устройством (например,
пуансоном 8) приводится в соприкосновение с неподвижной деталью 4, монтируется и фиксируется с требуемой точностью, после чего собранная сборочная
209
единица снимается со сборочного приспособления 6 и укладывается в тару 3.
Эта схема может быть несколько видоизменена: одна из указанных механических рук 2 устанавливает деталь 4 на приспособление 6. Другая механическая
рука 1 приводит деталь 10 в соприкосновение с деталью 4. монтирует и фиксирует с требуемой точностью, затем рука 2 захватывает собранную сборочную
единицу, перемещает ее в пространстве и укладывает в тару 3.
Рис.6.9. Принципиальная схема работы автоматического
сборочного устройства
Создание такого сборочного автоматического устройства связано с решением ряда сложных проблем: ориентации механических рук относительно
деталей, точной установки захваченных деталей на сборочных приспособлениях (базах) и др. Решение указанных проблем осуществляется наличием в сборочном автоматическом устройстве сравнивающих и координирующих устройств.
В автоматических сборочных устройствах движения, связанные с ориентированным захватом деталей, переносом их в пространстве и установкой на
сборочные приспособления, осуществляется специальными устройствами 210
сборочными автоматами. Выполненный из автоматических сборочных механизмов, сборочный автомат содержит автоматическое загрузочное бункерное
устройство, из которого детали подаются в окончательно или частично ориентированном виде (в зависимости от формы) в лотки, из лотков - в устройства
окончательной ориентации, затем - в накопитель, предназначенный для образования задела собираемых деталей, из накопителя - в питатель, из питателя непосредственно на сборочное приспособление.
Точность относительной ориентации деталей обеспечивается путем автоматической установки на установочные базы сборочного приспособления.
Приведение в контакт и сопряжение деталей осуществляется специальным
приспособлением сборочного устройства - механизмом закрепления. Определение достигнутой точности сопряжения и контроль точности соединения деталей выполняются автоматически действующими контрольными устройствами. Собранный объект передается в тару (если осуществлена его полная сборка) транспортными средствами или на следующую сборочную позицию (для
осуществления дальнейшей сборки). Если собираемые детали не поддаются
бункерованию (длинные валы, шпильки и т.п.) вместо бункерных загрузочных
устройств на автомате используют магазинные или кассетные устройства, в
которых детали соединения устанавливаются в ориентированном положении и
с помощью шиберных устройств подаются на сборочные приспособления. Корпусные детали устанавливают на конвейер при непосредственном участии человека. Перемещение и установка таких деталей на сборочные позиции осуществляется конвейерами автоматических сборочных устройств. Технологический процесс, кроме непосредственно сборочных, содержит также подготовительные операции (мойка и сушка деталей, контроль, рассортировка и комплектация), вспомогательные операции (входной контроль, поштучное и порционное деление, счет, распределение, транспортирование к сборочному оборудованию и т.п.) и послесборочные операции (контроль на выходе, заправка
смазочным материалом, топливом и т.п, испытание, доводка, наладка, регулирование, маркирование, консервация, герметизация, маркирование упаковки,
учет и т.д.). Подготовительные, вспомогательные и послесборочные операции
входят составной частью в комплексную автоматизацию всех производственных процессов, связанных с автоматизацией сборки.
Возможность автоматизации сборки любого соединения можно выявить
на основе рассмотрения относительного перемещения двух собираемых деталей. Положение любого твердого тела в пространстве определяется шестью
степенями свободы: тремя поступательными перемещениями вдоль осей координат и тремя вращениями вокруг указанных осей. В связи с этим процесс автоматической сборки любой сборочной единицы представляет собой пространственную задачу, которая может быть решена на основе рассмотрения размерных цепей и цепей относительных поворотов поверхности системы "собираемые детали - сборочный автомат". Ниже указанная задача рассмотрена в общем
виде на примере соединения деталей по цилиндрическим поверхностям. Решение этой задачи определяется следующими размерными цепями (рис.6.10):
211
Ao =
m−11
∑
i =1
Ai; Бo =
n−11
∑
i =1
Бi; Вo =
p −11
∑
i =1
Вi;
αo =
q −11
m−11
∑α i ; β o
i =1
=
n−11
∑βi;
i =1
ϕo = ∑ ϕi ,
i =1
где Ао,Бо,Во,α o , β o ,ϕ o - замыкающие звенья, характеризующие точность относительного положения собираемых деталей в пространстве:
А1,Б1,В1,α i , β i , ϕi -составляющие звенья размерных цепей;
m,n,p,q - число звеньев в размерных цепях.
При автоматической сборке соединений типа вал-втулка необходимо
обеспечить точность относительного совмещения сопрягаемых поверхностей
деталей, точность относительного углового положения и точность относительного положения вдоль оси. Точность совмещения осей решается с помощью
размерных цепей А,Б,α , β точность углового положения - цепью ϕ , точность относительного положения вдоль оси - цепью В (рис.6.10).
Для определения условий сборки необходимо определить шесть параметров исходя из решения приведенных размерных цепей. Допуски замыкающих звеньев рассматриваемых цепей - это допуски смещения осей сопрягаемых
поверхностей Т Ао и Т Бо и их относительные повороты Тα o и Т β o , допуск
на точность линейного (осевого) положения Т Во, допуск на точность углового
поворота вокруг оси Тϕ o .
212
перед сборкой
Положение деталей в пространстве, сопрягаемое по резьбовым, плоским
и другим видам поверхностей, будет отличаться от положения деталей, сопрягаемых по цилиндрическим поверхностям, только самим положением поверхностей, а задачи при автоматизация сборки остаются те же: необходимость
обеспечения совмещения сопрягаемых деталей, поверхностей или осей - и решаются теми же размерными цепями.
На рис.6.11 приведены схемы собираемости деталей и замыкающие звенья размерных цепей, которые надо определять при соответствующей схеме.
6.3.2. Определение условий собираемости
Разработка технологического процесса автоматической сборки включает
определение условия собираемости. Для автоматического сопряжения деталей
требуется, чтобы погрешности ориентации сопрягаемых поверхностей не превышали допустимых отклонений по несовпадению осей и их относительных
поворотов.
213
Ао, Бо,
αo , β o
Ао,
Во,Б,
αo , β o
Ао, Бо, Во,
αo , β o,
Ао, Бо,
α o , β o ,ϕ o ,
ϕo ,
Рис.6.11. Схемы условий собираемости деталей соединения
При сборке деталей различной конфигурации нахождение суммарной погрешность в общем виде основано на определении всех ее составляющих ТАо,
ТБо, ТВо, Тα o , Т β o , Тϕ o , которые рассчитываются на основе решения соответствующих размерных цепей. Условия собираемости двух деталей в общем
виде могут быть записаны в следующем виде:
ε ΔΣ p ΔΕ ; ε γΕ p Δγ ,
где ε ΔΣ = ТАо + ТБо + ТВо - погрешность относительного положения
двух деталей соединения при выбранной схеме базирования;
ΔΕ - допустимая величина отклонения;
ε γΕ = Тα o + Т β o + Тϕ o , - погрешность относительного поворота;
Δγ - допустимая величина относительного поворота.
Затем на основе найденных условий собираемости определяются наивыгоднейшие схемы базирования, которые обеспечивают погрешности относительного положения сопрягаемых поверхностей. При этом для сопряжения сопрягаемых поверхностей соединения необходимо, чтобы хотя бы одна из деталей имела возможность смещаться и поворачиваться в пространстве в пределах
погрешностей относительного их положения. В сборочных устройствах подобные смещения достигаются за счет податливости исполнительного механизма
или специальных пружинных или других устройств, обеспечивающих компенсацию погрешности относительной ориентации. Кроме того, на собираемость
соединения влияют силы, действующие в процессе сопряжения.
Ниже рассмотрены условия собираемости на примере соединения дета214
лей, сопрягаемых по цилиндрическим поверхностям.
При автоматизации сборки соединения деталей необходимо обеспечить
точность:
- совмещения сопрягаемых поверхностей (рис.6.12,а);
- относительного положения деталей вдоль оси (рис.6.12,б);
- относительного углового положения деталей в сечении, перпендикулярном к оси (рис.6.12, в);
- относительного положения сопрягаемых деталей вдоль их оси и относительного углового положения в сечении, перпендикулярном к их оси
(рис.6.12,г).
Отклонение от соосности сопрягаемых цилиндрических поверхностей вала
и отверстия втулки (или корпусной детали) не должно превышать половины
минимального зазора в соединении
Δ o = Δ min 2 = ( D min − d max ) 2 ,
а при наличии фаски
Δ'o = ( Dmin − d max) 2 + C ,
где Dmin - минимальный диаметр отверстия втулки;
d max - максимальный диаметр вала;
С - размер фаски вала.
Наибольшая допустимая величина угла перекоса γ Ε для различных случаев (рис.6.12) определяется как:
γ Ε = arccos d D
(рис.6.12 а,д,е);
γ Ε = arcsin (l d 2 + D 2)
(рис.6.12г);
γ Ε = arcsin ( D l 2 + D 2) − arcsin (d l 2 + d 2)
(рис.6.12 ж),
где l - длина вала или втулки.
Теоретически сопряжение деталей возможно, если погрешности отклонения
от соосности осей сопрягаемых поверхностей и перекоса будут меньше или
равны указанным предельно допустимым значениям. Величины допустимых
углов перекоса осей сопрягаемых деталей различных диаметров для наиболее
распространенных посадок представлены на рис.6.13, где зависимости 1 и 2
соответствуют величинам допустимых углов перекоса при наименьшем и наибольшем зазорах соединений соответственно.
Практически при автоматической сборке деталей необходимо ограничивать
допустимые величины отклонения от соосности осей и угловые перекосы
вдвое меньшими величинами.
Допустимые величины отклонения от соосности осей, взятые по условиям
собираемости, будут значительно большими и практически близкими к Δγ и
Δo (рис.6.12,а,6; рис. 6.13), т.к. величина перекоса осей в сборочных устройст-
вах практически очень мала.
215
Рис.6.12. Схемы относительного положения сопрягаемых деталей
«вал-втулка»
216
Рис.6.13. Схемы зависимости допустимых углов перекоса осей
сопрягаемых деталей различных диаметров от вида посадок
Рис.6.13. Схемы зависимости допустимых углов перекоса осей
сопрягаемых деталей различных диаметров от вида посадок
Таким образом, условиями собираемости деталей, сопрягаемых по их цилиндрическим поверхностях при решении задачи совмещения сопрягаемых поверхностей являются:
(рис.6.12 а),
ΔΕ < Δo = ( Dmin − d max) 2
ΔΕ < Δ'o = ( Dmin − d max) 2 + C
(рис.6.12 б).
Поскольку при положении сопрягаемых деталей в пространстве возможно
несовпадение осей сопрягаемых поверхностей в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, можно допустить, что угол перекоса осей γ лежит в плосΔ
кости наибольшей погрешности, где можно считать, что
γΔ
=arc tg
tg 2α o + tg 2 β o
или
217
Δγ
=arc tg
T 2α o + T 2 β o .
В этом случае решение пространственной задачи сводится к решению
плоской задачи.
Требуемая точность относительного положения сопрягаемых деталей
вдоль их оси решается размерной цепью А. Если допуск на звено В достаточно
велик или если валик запрессован до упора (рис.6.14,а). задача решается довольно просто. Здесь необходимо, чтобы вал переместился до соприкосновения
торцов корпуса «а» с большей ступенью вала «в», тогда условием собираемости будет ТА0= ТА1 +ТА2, где ТА0 - допуск замыкающего звена.
При небольшой величине допуска (рис.6.14,б) решение задачи усложняется, поскольку требуемая точность на все звенья размерной цепи возрастает. В
этом случае при запрессовке кольца в отверстие проушины вала или поршня
необходимо обеспечить совпадение торцов В и В’ с точностью, определяемой
неравенством
ΔΕ > ТБo = ТБ1 + ТБ2 ,
где ТБo - допуск замыкающего звена;
ΔΕ - допустимая по условиям собираемости величина зазора между
торцами запрессованного пальца и стопорного кольца.
Задача еще больше усложняется, если, например, возникает необходимость обеспечения точности совпадения осей резьбового отверстия во втулке с
коническим отверстием на валу (рис.6.14,в), которое решается размерной цепью ТВо=ТВ2 - ТВ1. Исходя из условий собираемости на резьбовые соединения
должно быть соблюдено неравенство
Т Вo < ΔΕ .
Таким образом, условия собираемости при решении задачи обеспечения
точности относительного положения сопрягаемых деталей будут иметь самые
различные решения, которые зависят от точности этого положения.
6.3.3. Технологичность конструкций деталей и сборочных
единиц при автоматической сборке
Общие правила отработки конструкции изделия на технологичность и
правила выбора показателей технологичности конструкции изделий установлены ГОСТ 14.201-83 и 14.202-83, правила обеспечения технологичности конструкции сборочных единиц - ГОСТ 14.203-83.
Понятие технологичности конструкции изделия или сборочной единицы
предусматривает такую конструкцию, которая кроме служебного назначения
обеспечивает: качество изделия; минимальную трудоемкость изготовления;
металлоемкость и себестоимость; возможность автоматизации процессов сборки, бункерования, транспортирования собираемых деталей; точное базирование деталей относительно поверхностей сборочных устройств (приспособлений). Технологичность конструкции изделия - важнейшая техническая основа
создания надежного сборочного оборудования с минимальными затратами на
изготовление и высокими технико-экономическими показателями.
218
Требования к конструкции изделия определяются, прежде всего, его
служебным назначением. Наряду с этим к изделию предъявляются и производственные требования, которые приобретают особое значение для изделий серийного и массового производства. В данном случае изделие должно обладать
высокой технологичностью.
Практика машиностроения показывает, что отработка конструкции происходит на всех стадиях подготовки технической документации, создания
опытного, а затем - промышленного образца, когда конструктор изделия и технолог-сборщик работают совместно.
Под улучшением конструкции понимают: выбор наиболее экономичной
компоновки собираемых изделий и кинематической схемы; повышение эксплуатационных характеристик, их точности, долговечности; удобство обслуживания и ремонта; улучшение общего вида. Под упрощением конструкции
понимается: упрощение механизмов и отдельных деталей; замена оригинальных узлов и деталей нормализованными; сокращение номенклатуры используемых нормалей и конструктивных элементов.
Необходимым условием автоматизации сборочных процессов является
проектирование деталей и сборочных единиц с учетом технологических требований автоматической сборки, существенно отличных от требований ручной
сборки.
Требования к технологичности конструкции могут быть разделены на общие требования и требования отдельно к каждой из основных операций технологического процесса автоматической сборки (рис.6.15).
Общие требования отражают рекомендации, относящиеся к рациональной
компоновке, оптимальному качеству деталей в блоках, практическому сокращению количества деталей за счет использования комплектов крепежных деталей, в которых объединены дополнительные детали в одно целое с резьбовой
деталью (гайка с нейлоновыми вставками), нерассыпные комплекты и т.д.; изменения способа крепления деталей; конструктивного объединения нескольких
деталей в одну.
219
220
Рис.6.14 Схемы относительного положения деталей собираемых соединений в продольном направлении
(а -d =10-18 мм: б -d =18-З0 мм, в - d =30-50 мм)
Требования к технологичности деталей и сборочных единиц для автоматической сборки
Загрузка и предварительная ориентация
Транспортирование в
зону сборки
Соответствие вида
материала требованиям метода ориентирования
Прочность материалов
деталей, исключающая
их повреждение при
загрузке и ориентировании
Стойкость
покрытий,
исключающих их повреждение при загрузке
и ориентировании
Полная симметричность или ассимметричность форм
деталей
Наличие ярко выраженных базовых поверхностей и ключей
для ориентирования
Форма деталей, исключающая
заклинивание в направляющих
Несцепляемость
Отсутствие
взаимного
западания
деталей
Базирование и относительное ориентирование на сборочной позиции
Сопряжение поверхностей и сопряжение деталей
Блочность
конструкции изделия
Минимальность
количества
соединений и крепежных деталей
Наличие
детали
Простота конструктивных элементов деталей
базовой
Обеспечение сборки
при неизменном базировании
Обеспечение последовательного соединения сверху вниз
Отсутствие монтажа
на боковые и нижние поверхности
Обеспечение сборки
простыми методами
(гравитационным и
др.)
Отсутствие
слесарно-пригоночных работ
Наличие конструктивных элементов, обеспечиваюих точность относительно расположения
Наличие конструктивных элементов, облегчающих сборку
Наличие удобного доступа к
местам крепления
Обоснование
поверхности
шероховатости
Прочность материалов деталей
Технический
контроль
Обеспечение
контроля
комплектности сборки
Обеспечение
контроля заданных параметров
Стойкость
защитных
покрытий
Отсутствие
нетехнологических соединений
Рис. 6.15. Структурная схема требований к технологичности деталей и сборочных единиц для автоматической сборки
221
Иллюстрации к указанным рекомендациям представлены на рис.6.16 и
рис.6.17.
Требования к конструкции собираемых деталей применительно к операциям загрузки, предварительной ориентации и транспортирования относятся ко
всем деталям.
Детали для автоматической сборки должны быть просты по конструкции и
форме.
Рис. 6.16. Пример изменения конструкции с целью уменьшения количества деталей в сборочной единице
а
1
1
б
2
2
Рис.6.17. Примеры нетехнологических (1 ) и технологических (2)
конструкций крепежных элементов:
а - винт изготовляется как одно целое с шайбой; б - винт с шайбами, надетыми до образования на нем резьбы; витки резьбы препятствуют самопроизвольному спаданию шайб со
стержня винта
Задача автоматической ориентации часто затрудняется или становится
невозможной в тех случаях, когда несимметричность деталей выражается недостаточно явно.
Для упрощения ориентации таких деталей конструкцию изменяют, предусматривая уступы, срезы, дополнительные отверстия и другие элементы даже за счет некоторого усложнения механической обработки. На рис.6.18 показаны примеры изменения конструкции деталей, обеспечивающие улучшение
222
автоматической ориентации в вибробункерах.
За счет усиления признака симметричности (рис.6.18,а), которая достигается проточкой дополнительной канавки у второго торца валика или уменьшения симметричности (рис.6.18,б) облегчается ориентация деталей на лотке
вибробункера путем сброса в чашу бункера неправильно расположенной детали; выточка на торце пальца (рис.6.18,в) может обеспечить надежную ориентацию деталей на лотке с вырезом.
а
б
в
Рис.6.18. Примеры технологичных конструкций деталей для
автоматической ориентации
Асимметричность деталей должна быть ярко выраженной. Детали с асимметричностью, которые необходимо ориентировать по внутреннему контуру,
должны иметь по наружной поверхности отличительный элемент, расположенный в соответствии с внутренним контуром.
Ориентация облегчается при эксцентричном расположении их массы, т.е.
удалении центра тяжести деталей от условного геометрического центра их оси
(рис.6.19), а также наличии фланцев, пазов, уступов и т.д.
Конструкция деталей должна быть такой, чтобы при выдаче их из вибробункеров они взаимно не сцеплялись в виде двух- или многозвенных цепочек.
Большие трудности создаются при выдаче из бункеров спиральных пружин,
223
разрезных колец и пружинных шайб с большим зазором в замке. Если торцовые витки не поджаты при диаметре проволоки, меньшем промежутка между
витками, возможно взаимное сцепление пружин. Это обстоятельство вынуждает иногда при автоматической сборке устанавливать пружины вручную.
Рис.6.19. Расположение центра тяжести S на деталях:
а - нетехнологичное; б - технологичное
Детали, сопрягающиеся с зазором или натягом (а также резьбовые детали),
необходимо выполнять с фасками или направляющими элементами (заточками). Наличие фасок обеспечивает лучшее направление деталей на сборочной
позиции автомата.
Размеры пазов, углублений, отверстий большого диаметра и других характерных особенностей деталей должны быть такими, чтобы предотвратить возможность западания одной детали в другую.
Нецелесообразно использовать детали из плоского тонкого листа, так как
они, перемещаясь, налезают друг на друга, что приводит к заклиниванию шиберных и подающих механизмов автоматического сборочного оборудования.
Не рекомендуется использовать плоские неметаллические детали из-за их слипания, вызываемого статическим электричеством.
Тип и конфигурация базовой детали определяют конструкцию базирующего приспособления и схему базирования. Условия собираемости, выбор базовых поверхностей при захвате и монтаже присоединяемой детали, а также
последовательность сборки зависят от пространственного расположения поверхностей сопряжения. Основным признаком классификации типовых сборочных единиц и комплектов является деление их на комплекты типа "вала" (с
охватыванием базовой детали) и "корпуса" (с охватывающей базовой деталью).
В комплекте типа "вала" базовой деталью является вал или другая деталь
этой группы, на которую устанавливают подшипники, зубчатые колеса, втулки,
пружинные стопорные кольца, уплотнительные манжеты и т.д. В комплекте
типа "корпус" базовыми деталями являются корпус, фланец, стакан и т.д., в ко224
торые вкладывают присоединяемые детали.
Последовательное соединение изделия должно осуществляться сверху
вниз, причем нижней должна быть базовая деталь или сборочная единица при
неизменном базировании их составных частей. Из этого вытекает, что в конструкции базовой составной части необходимо предусматривать использование
конструкторских (сборочных) баз в качестве технологических, выбираемых
технологом, и измерительных, выбираемых конструктором.
Необходимо предусматривать в конструкции изделия элементы, обеспечивающие заданную точность относительного расположения составных частей:
направляющих, фасок, центрирующих заборных конусов, а также фиксирующих и компенсирующих устройств и т.д.
При проектировании изделия необходимо предусматривать применение
посадок только с гарантированным зазором или с гарантированным натягом.
Использование переходных посадок нежелательно, так как в этом случае может
произойти заклинивание деталей при подаче в рабочую зону.
Точность деталей должна соответствовать точности элементов, имеющих
функциональное значение, а также тех, которые определяют положение деталей в процессе сборки.
6.3.4. Выбор метода достижения точности
при автоматической сборке
Использование существующих методов достижения заданной точности
при сборке в автоматизированном производстве имеет свои особенности.
Метод полной взаимозаменяемости обусловливает высокую стабильность размерных и физико-технических параметров исходных сборочных компонентов, поступающих на сборку, а это вызывает необходимость стабилизации технологического и производственного процессов. При его использовании
исключаются объективные причины нарушения процесса сборки, может быть
обеспечена высокая степень автоматизации и производительности при условии
надежности сборочного оборудования.
Имеющийся опыт комплексной автоматизации производства с применением метода полной взаимозаменяемости подтвердил безусловную целесообразность его использования при изготовлении ряда изделий массового и серийного производства. Поэтому при разработке технологического процесса автоматической сборки изделия должен производиться перерасчет допусков на составляющие звенья, а в ряде случаев и пересматриваться допуск замыкающего
звена для перевода сборки изделия по методу полной взаимозаменяемости. Целесообразность практического использования метода полной взаимозаменяемости при автоматизации сборки изделий должна быть обоснована техникоэкономическим расчетом. При автоматической сборке также применяется метод неполной (частичной) взаимозаменяемости.
При использовании метода неполной взаимозаменяемости по размерным
параметрам возможно нарушение стабильности процесса сборки, появление
225
брака изделий, поломка инструмента и элементов конструкции сборочного автомата. В связи с этим в сборочном оборудовании необходимо предусматривать контрольные, контрольно-сортировочные и блокирующие устройства и
приборы, устройства контроля процесса сборки, комплектности и качества собранного изделия. Использование этого метода не исключает встройку в сборочные автоматы контрольных и блокировочных устройств.
Применяемый при автоматической сборке метод групповой взаимозаменяемости (селективная сборка) может быть основан на групповой и индивидуальной селекции.
Использование этого метода эффективно при равном числе деталей в одноименных группах за определенный цикл производства. Это равенство возможно только при соответствии законов распределения параметров (размеров)
сопрягаемых деталей и стабильности технологического процесса за достаточно
большой промежуток времени. В массовом и крупносерийном производстве
распределение размеров сопрягаемых деталей соответствует нормальному закону.
Объем незавершенного производства можно уменьшить, используя рациональную селекторную сборку или метод индивидуальной селекции. Рациональная сборка способствует отсутствию избыточных деталей, не допускает
возможности получения изделий, не соответствующих техническим требованиям. Например, сопряжение с зазором получают меньше допустимого значения, что обусловливает включение пригонки. Практическая реализация рациональной селективной сборки всегда требует технико-экономического обоснования.
Для сборки изделий, содержащих большое количество звеньев (например, подшипники качения), в большинстве случаев используют метод индивидуальной селекции. Использование этого метода связано с включением в технологическую систему автоматической сборки контрольных (измерительных)
позиций и средств вычислительной техники. Группу многокомпонентного звена (например, шарика или ролика) подбирают по результатам измерений отклонений базовых компонентов (кольца подшипника).
Метод индивидуальной селекции используется при автоматизации сборки изделий и с трехзвенной размерной цепью. Машины-автоматы с индивидуальной селекцией используют в автомобильной промышленности стран СНГ,
США, Великобритании, Германии и других странах для сборки блоков цилиндров и головок к ним, поршней с поршневыми пальцами, дифференциала заднего моста автомобиля, поршневых пар тормозных цилиндров.
Автоматическая сборка изделий с высокой точностью выходных параметров (например, радиального и осевого зазора или натяга в пределах нескольких мкм) представляет сложную задачу. Обеспечение заданной точности
методом полной взаимозаменяемости не всегда экономически выгодно и может
не принести желаемых результатов. В этом случае эффективными являются
методы пригонки и регулирования. Применение обоих методов предусматривает изготовление собираемых деталей по расширенным, экономически дости226
жимым допускам.
Для внедрения методов пригонки и регулирования необходимо включение в технологическую размерную систему сборки устройств коррекции соединения (или компенсации погрешностей при соединении) с учетом фактических параметров деталей.
Индивидуальная пригонка при автоматической сборке обеспечивает высокое качество изделия. При использовании метода пригонки требуемая точность замыкающего звена системы “сборочное устройство - собираемые детали” достигается в результате автоматического изменения размеров деталей путем снятия с них необходимого слоя материала.
Изменение размеров компенсирующего звена может осуществляться
притиркой деталей или, так называемым сопряженным шлифованием. Сопряженное шлифование является трудоемкой операцией, что вызвало его ограниченное использование, особенно при сборке резьбовых передач типа винтгайка качения и т.п. В этом случае сопрягаемую поверхность одной детали
(обычно отверстие) изготовляют по широким экономически достижимым допускам, а затем к каждому отверстию автоматически пригоняют вал. Точность
пригонки проверяют непосредственным измерением размеров сопрягаемых
поверхностей.
Метод регулирования обеспечивает достижение требуемой точности выходных параметров при сборке изделия непрерывным или дискретным изменением (коррекцией) замыкающего звена без снятия материала.
Наиболее простыми и широко используемыми компенсаторами при
сборке методом регулирования являются прокладки (различной толщины) или
их наборы. Автоматическая сборка с набором прокладок вызывает необходимость введения в состав технологической системы сборки специальных устройств, служащих для определения величины компенсации с последующим
вызовом соответствующего набора прокладок в используемом устройстве для
сборки.
Метод регулирования при автоматизации сборки используют не только
для обеспечения параметров замыкающего звена размерной цепи, но и других
выходных параметров изделия, например, строго определенной жесткости упругого звена. В табл.6.2 приведена краткая характеристика методов и отдельных видов автоматической сборки, а также область их использования. Выбор
того или иного метода достижения необходимой точности сборки зависит от
конструкции изделия, требований, предъявляемых к сборке, к точности соединения, допустимых конечных ошибок параметров изделия и условий его эксплуатации.
227
Таблица 6.2
Характеристика методов и видов автоматической сборки и области
их использования
Метод
Вид сборки
Характеристика
Область
использования
Полной
взаимозаменяемости
С полной
взаимозаменяемостью
Пригодна: необходима встрой-ка в
технологическую систему устройства контроля наличия
и положения сборочных компонентов; требуется: обоснование
целесообразности применения
Массовое и крупносерийное производство для изделий с
короткозвенными
размерными цепями
Неполной
взаимозаменяемости
С неполной
взаимозаменяемостью
Пригодна: необходима встройка в
технологическую систему сборки
устройства контроля наличия и
положения сборочных компонентов, устройств отбраковки компонентов с отклонениями, превышающими допустимые, блокировок
Пригодна: возможно образование
продукции незавершенного производства
Пригодна: требует сложной системы управления
Ограничено применяется для крупных
и мелких изделий с
n=5-10 в серийном
производстве
Групповой
взаимозаменяемости
Пригонки
Основанная на
групповой селекции
Основанная на
индивидуальной
селекции
С индивидуальной
пригонкой
С групповой
порционной
пригонкой
С бесступенчатым изменением замыкающего
звена размерной цепи
(выходного параметра
изделия)
Регулирования
С вводом деформируемых компенсаторов
С подбором компенсаторов
С регулированием
силового замыкания
Пригодна: для прецизионных и
высокоточных изделий;
требует встройки в технологическую систему сборки контрольноизмерительных приборов, устройств снятия материала, создания
сложной системы управления
Пригодна: требует встройки в технологическую систему сборки
контрольно-измерительных приборов, устройств регулирования,
создания сравнительно сложной
системы управления
Пригодна: требует особой конструкции компенсаторов
Ограниченно пригодна: требует
встройки в технологическую систему
сборки
контрольноизмерительных устройств, создания сложной системы управления
Пригодна: сложно исполнение
механической системы сборки
228
Массовое и
крупносерийное
производство
Единичное,
мелкосерийное и
серийное
производство
Используется
ограниченно
6.3.5. Анализ схем базирования деталей при
автоматической cборке
В процессе автоматической сборки происходит непрерывное изменение
базирования деталей по пути от загрузочного устройства до соединения и фиксации достигнутого положения. Достижение точности относительного положения собираемых деталей на технологических базах перед сопряжением является наиболее ответственным этапом автоматической сборки. При этом необходимо, чтобы величины погрешностей относительного положения сопрягаемых
поверхностей собираемых деталей удовлетворяли условиям собираемости.
Расположение в пространстве двух или более деталей друг относительно
друга зависит от схемы их базирования на сборочной позиции. Точность относительного положения собираемых деталей определяется выбранной схемой
базирования, характером и состоянием исполнительных поверхностей базирующих устройств. Независимо от положения в пространстве исполнительных
поверхностей базирующих устройств, при положении собираемых деталей вертикальном, горизонтальном или под углом, схемы базирования, определяющие
сборку, будут одни и те же. Разница заключается во взаимодействии сил тяжести собираемых деталей, сборочных сил и сил трения.
Для соединения двух деталей необходимо подать одну из них на сборочную позицию так, чтобы сопрягаемые поверхности были совмещены, после
этого переместить сопрягаемую деталь к базовой до полного соединения. Сборочное устройство должно обеспечить все эти движения. При горизонтальной
сборке, в отличие от вертикальной, перемещение присоединяемой детали на
базовую деталь вдоль ее оси может быть выполнено только при приложении к
ней сборочной силы независимо от положения оси сборки собираемых деталей
на сборочной позиции. В большинстве случаев приложение сборочной силы
является необходимым. Это объясняется тем, что сопряжение деталей под действием сил тяжести (при сборке с гарантированным зазором) не обеспечивает
высокой надежности процесса сборки.
Присоединяемая деталь в начале цикла работы сборочного устройства
может занимать различные положения относительно основной (базовой) детали. Оси собираемых деталей могут находиться в одной или различных плоскостях. Необходимое число движений для совмещения деталей может быть различным. Наиболее простыми и надежными в работе сборочными устройствами
являются такие, в которых отсутствуют движения, необходимые для совмещения осей собираемых деталей. Присоединяемая деталь в этом случае подается
в зону сборки из магазина, питателя или лотка в ориентированном положении,
при котором уже обеспечивается совмещение сопрягаемых поверхностей собираемых деталей. Указанные соображения необходимо учитывать при выборе схем базирования.
Для деталей, сопрягаемых по гладким цилиндрическим поверхностям,
при автоматической сборке необходимо обеспечить точность совмещения их
осей в пространстве в соответствии с условиями собираемости. Решение зада229
чи совмещения осей деталей и сопряжения их цилиндрических поверхностей
возможно на основе реализации различных схем базирования.
Основными факторами, влияющими на отклонение осей сопрягаемых деталей для различных схем базирования, являются погрешности диаметральных
размеров, отклонение от круглости, отклонение от цилиндричности, отклонение профиля продольного сечения, отклонение от перпендикулярности торцов
втулок (или колец) относительно их базовых поверхностей и установочных
элементов сборочного приспособления.
При базировании собираемых деталей соединения, в общем случае, имеет место отклонение от соосности и перекос осей. Эти отклонения и перекосы
возможны в двух взаимно перпендикулярных координатных плоскостях. Поэтому для осуществления автоматической сборки необходимо, чтобы по крайней мере, одна из сопрягаемых деталей имела возможность смещаться и поворачиваться в пределах отклонений относительного их положения в пространстве.
Необходимо иметь в виду, что при вертикальной сборке детали должны
прижиматься с определенной силой к установочным базам, в то время как при
горизонтальной сборке это условие необязательно - достаточно сил тяжести,
чтобы детали устойчиво контролировались исполнительными поверхностями
базирующих устройств.
Материализация базирующих опорных точек сопрягаемых деталей может производиться базами, имеющими различные сочетания положений исполнительных поверхностей.
На рис.6.20 показаны варианты базирования вала по охватываемой цилиндрической поверхности в отверстии с зазором с помощью зажимного устройства транспортного ротора машины (а, б) и беззазорные с использованием
призм (в-д).
Величины допусков в относительном положении оси вала и неподвижной базы представлены на рис.6.20 а-г, где ТАо допуск на размер Ао: Тd - допуск на диаметр вала: α - половина угла призмы.
Анализ типовых схем базирования деталей при сборке с точки зрения
выполнения условий собираемости возможен на основе расчета размерных цепей (метод максимума и минимума).
Ниже рассмотрены примеры использования схем базирования для обеспечения различных условий собираемости и решения задач автоматической
сборки.
О б е с п е ч е н и е т о ч н о с т и о т н о с и т е л ь н о г о п о л ожения сопрягаемых деталей при различных схемах
б а з и р о в а н и я. В случае базирования втулки и вала по наружным поверхностям величины несоосности и относительных поворотов осей вала и втулки
определяются размерными цепями А; Б; β; α (рис.6.21).
а
б
в
230
г
д
Рис.6.20. Схемы базирования сборочных элементов детали
относительно базирующих поверхностей
Допусками на относительные повороты всех контактируемых поверхностей системы “собираемые детали - сборочное устройства" являются допуски на замыкающие звенья размерных цепей Тβо, Тαо .
Учитывая, что базирование происходит в пространстве, величины замыкающих звеньев на несовпадение и относительные повороты осей сопрягаемых
деталей - ТΔ∑, Тγ∑ . Точность базирования вала относительно втулки может
быть определена на основе анализа этих величин. Точность относительного
положения вала и втулки кроме допусков на базирующие размеры ТАз, ТА4
вала и втулки определяется допуском на наружный диаметр ТDн, зазором между поверхностями базирующих отверстий втулок D01,D02. и наружной поверхностью вала и втулки dо, Dн, а также несоосностью (эксцентриситетом) втулки
е.
Точность несоосности вала и втулки при базировании на неподвижной
плоскости призмы зависит от допусков на диаметры вала и втулки Тdв и Tdо,
разностенности втулки и величины зазора в соединении.
Для схемы базирования. представленной на рис.6.21, номинальные размеры замыкающих звеньев размерных цепей А; Б; β, α будут равны:
Ao =
3
∑
A1 -
ТAo = d В +
2
ТБo =
dВ +
2
=
3
7
2
Тα o =
+T
L
;
2tgγ
A1, Бo =
1
4
A3 + T
3
∑
Б1 -
A4 + е +
A3 + T A4 + е +
=
T d0
2
T d0
2
Тβo =
7
∑
3
4
7
1
4
1
∑ α i - ∑α i , β o
D01 _ d B + T
2
D01 _ d B
∑
4
1
αo
7
Б1 ;
∑βi - ∑βi.
+
+
D01 − Dн ;
2
D01 − Dн
2
;
L
.
2tgγ
Погрешность относительного положения сопрягаемых поверхностей соединяемых деталей
231
_d
T d 0 D02 − Dн 2
d
Т ΔΣ = Т 2 А0 + Т 2 Б 0 = 2(( В + D02 B ) + T A3 + T A4 + е +
+
) ;
2
2
2
2
а погрешность относительного поворота осей сопрягаемых деталей -
T γ Σ = T α 02 +Tβ 02 = 2( l tgγ ) 2 .
2
Допустимые величины несовпадения
будут равны
Δγ E
ΔE
= d0
−dB
2
+C;
ΔE
и относительного поворота осей
Δγ E
=2tg γ Δ .
Рис.6.21.. Схема базирования вала и втулки
(вертикальное исполнение)
При базировании вала по наружной цилиндрической поверхности, а втулки - по ее внутренней поверхности, как и для выше рассмотренной схемы, базами для вала могут быть неподвижная плоскость и подвижная призма, отверстие базового устройства и неподвижная призма, лишающая вал четырех степеней свободы.
В соответствии со схемой, представленной на рис.6.22, вал базируется в
призмах, а втулка - на внутреннем стержне. Как и в схеме (рис.6.21) базирование, точность расположения и относительные повороты осей сопрягаемых деталей определяются размерными цепями А; Б; α; β. Аналогично рассмотренному выше определяем
А0 = А3 + А4 - А1 - А2;
Б0 = Б2 - Б1;
ТА0 =ТА1 + ТА2 + ТА3 + ТА4;
ТБ0 = ТБ1 + ТБ2;
Т ΔΣ =
232
T 2 А0 +T 2 Б 0 ;
Δ E = е + (d о − d ) 2 ;
d ц = d o min − Δmin + TΔΣ ,
В
где
втулка;
Δmin
- минимальный зазор в соединении центрирующий стержень-
Δmin = d o min − d И max ;
d ц - диаметр центрирующего стержня.
Для выполнения сопряжения необходимо, чтобы втулка могла смещаться и
поворачиваться в пределах условий собираемости. Для этого диаметр центрирующего стержня d ц должен быть меньше диаметра отверстия втулки по
крайней мере на величину
dц
<
d o min − d min + TΔΣ .
Рис.6.22. Схема базирования вала и втулки
(горизонтальное исполнение)
Более сложные сборочные единицы могут базироваться по схеме представленной на рис.6.23.
Рис.6.23. Принципиальная схема базирования деталей с помощью центров
Точность соосности собираемых деталей при такой схеме базирования
обеспечивается, в основном, кратчайшей размерной цепью при минимальном
влиянии на сборку базирующих устройств. Наличие центровых отверстий у
233
вала в этом случае - необходимое условие.
При отношении длины втулки к внутреннему диаметру материализация
баз сопрягаемых деталей может быть представлена, например, так, как это показано на рис.6.24, где опорные точки 1-3 материализованы торцом пуансона,
опорные точки 4,5 -призматическим ножом, подводимым снизу (рис.6.24,а. б)
или сбоку (рис.6.24,в).
Анализ рассмотренных и других схем базирования позволяет сделать
следующие выводы:
1. Сопряжение поверхностей собираемых деталей совершается по кратчайшему пути (кратчайшим размерным цепям), исключающему влияние
а
б
в
Рис.6.24. Положение собираемых деталей в случае отношения длины
втулки к внутреннему диаметру l/d >1
погрешностей большинства звеньев первоначального базирования; сам центр в
таких случаях играет роль искателя, который базирует собираемые детали по
их сопрягаемым поверхностям.
2. Процесс сборки можно рассматривать как пространственную задачу, при
решении которой ставится цель достижения соосности и относительного положения собираемых деталей. Использование кратчайшего пути при сопряжении
позволяет расширить допуски на размеры базирующих устройств сборочного
автоматы, входящие в размерную цепь.
3. Независимо от выбранной схемы базирования сопряжение поверхностей
234
деталей возможно при условии двух смещений и двух поворотов перемещаемой детали в пределах погрешности на их несоосность и относительные повороты.
С х е м ы б а з и р о в а н и я, о б е с п е ч и в а ю щ и е т о ч н о с т ь
п о л о ж е н и я с о б и р а е м ы х д е т а л е й в д о л ь и х о с е й. Рассмотрим один из случаев обеспечения требуемой точности относительного положения вдоль осей сопрягаемых деталей. В соответствии со схемой, представленной на рис.6.25 базирование втулки происходит по торцу А, вала - по
торцу канавки Б. Особенность такой схемы базирования заключается в том, что
перед сопряжением в период подвода подвижного упора, детали должны иметь
возможность смещаться в осевом направлении. Положение деталей после
окончания базирования с помощью подводимого упора фиксируется зажимами,
а зазор между торцом втулки В и пуансоном 1 устраняется с помощью клина 2.
Сопряжение осуществляется в результате перемещения втулки пуансоном 1 в
осевом направлении на величину, равную А1, обеспечивающую совмещение
торцов втулки А и вала Б.
Рис.6.25. Схема базирования, определяющая решение задачи
обеспечения точности сборки двух деталей вдоль оси
Необходимо отметить, что в рассмотренной схеме базирования отсутствует влияние допусков линейных размеров собираемых деталей на
допуск замыкающего звена.
Это свидетельствует о том, что выбор схем базирования для решения задачи достижения точности относительного положения сопрягаемых деталей
вдоль оси их сборки зависит от точности размеров и относительных поворотов
собираемых деталей.
Задача обеспечения точности углового поворота собираемых деталей вокруг оси в большинстве случаев решают одновременно с задачей обеспечения
соосности.
При решении задачи совмещения осей сопрягаемых деталей (рис.6.26)
обеспечение точности углового положения определяется размерной цепью
Тϕ0= Тϕ1 + Тϕ2, в которой Тϕ0 - величина замыкающего звена, характеризующего относительный поворот осей симметрии шпонки и шпоночного паза сопрягаемых деталей. С учетом того, что шпонка имеет закругленный конец с
235
радиусом г == Вш/2< в рассмотренной размерной цепи допуск замыкающего
звена будет цепью
Рис.6.26. Схема базирования, для решения задачи сборки
шпоночных соединений
Тϕ0 = Тϕ1 + Тϕ2 < Вш + ТВш + Твш , где
Тϕ1,Тϕ2 - допуски на относительные повороты составляющих звеньев.
Обеспечение совпадения шпонки и шпоночного паза собираемых деталей
может быть осуществлено различными способами, например в результате поворота одной из деталей вокруг ее оси при одновременном приложении осевой
силы, достаточной для сопряжения, или путем точной ориентации шпонки вала
или шпоночного паза втулки - по центру, имеющему шпонку. При этом неточность совмещения шпонки и паза будет зависеть от величины зазора между пазом втулки и центрирующей шпонкой, зазора в собираемом шпоночном соединении и точности базирования собираемых деталей.
Сопряжение поверхностей при шпоночных (шлицевых) соединениях может быть выполнено способом, при котором шпонка вала (шлиц) базируется на
подводимой конической базе. а втулка ( или зубчатое колесо) - на шпоночной
(шлицевой) оправке (рис.6.27). В данной схеме базирования на точность совпадения шлицев вала и зубчатого колеса влияют те же факторы, что и в предыдущем случае.
Рис.6.27. Схема базирования для решения задачи
сборки шлицевых соединений
Анализ приведенных выше схем позволяет сделать вывод о том, что точность углового положения собираемых деталей зависит, в первую очередь, от
оптимальной схемы их базирования, определяющей соосность сопрягаемых
цилиндрических поверхностей.
236
С х е м ы б а з и р о в а н и я д е т а л е й, с о п р я г а е м ы х п о
р е з ь б е. При автоматизации сборки резьбовых соединений необходимо обеспечить соосность (или совмещение резьбовых поверхностей) и точность относительного углового положения деталей. В связи с этим, схемы базирования,
решающие указанные задачи, подобны схемам при совмещении осей деталей,
сопрягаемых по цилиндрическим поверхностям.
Шесть схем базирования (рис.6.28) являются наиболее распространенными для базирования деталей, сопрягаемых по резьбовым поверхностям. Не
исключено использование и других схем базирования при иных конструктивных формах собираемых деталей (резьбовые втулки, ниппели, переходники и
др.).
В соответствии со схемой а болт (винт) базируется по наружной резьбовой поверхности, а гайка - по торцу (основная установочная база) и по наружной поверхности. При такой схеме точность соосности болта и резьбового отверстия гайки зависит от точности изготовления наружной поверхности гайки
(обычно шестигранника) и ее разностенности.
При использовании схемы б болт базируется по схеме а, а гайка центрируется по внутренней поверхности резьбового отверстия и торцу. В приведенных двух схемах базирование для сопряжения болта и гайки
а
б
в
г
д
е
Рис.6.28. Возможные схемы базирования резьбовых соединений
(наживления и свинчивания, движения вращения и поступательного перемещения передаются болту).
По схеме базирования в двойная направляющая база у винта создается центровой и сферической поверхностью на его торце наружной поверхностью
винта. Гайка базируется, как в схеме а. По схемам г и д болт или шпилька неподвижны (например, заранее ввернуты в корпусную деталь), а гайка по схеме
г базируете на торец и наружную поверхность и по схеме д - на торец и резьбу
по внутреннему диаметру. Наконец, по схеме е резьбовое гнездо корпусной детали неподвижно, а шпилька, для наживления которой придается вращательное
237
и поступательное движение, базируется по двойной направляющей базе.
Разновидности шести рассмотренных схем могут быть использованы для
других типов деталей.
С х е м ы б а з и р о в а н и я д е т а л е й п о п л о с к и м п о в е рх н о с т я м. Большая часть сборочных единиц, имеющих элементы соединений по плоским поверхностям, сопрягаются сразу по нескольким видам поверхностей и очень редко - только по плоским поверхностям. В связи с этим,
для автоматизации сборки таких соединений или сборочных единиц определяют детали по отдельным видам сопрягаемых поверхностей, а затем на основе
установленных условий сопряжения (или собираемости) решают задачи автоматической сборки деталей, по указанным поверхностям последовательно, в
зависимости от формы и конфигурации деталей или сразу по всем сопрягаемым поверхностям.
Рассмотрим схему базирования, обеспечивающую точность штабелирования пластин (рис.6.29). Для точного совмещения торцов и боковых поверхностей деталей, укладываемых одна на другую, за направляющие базы (опорные точки 4, 5 и 4’, 5’) принимают их боковые поверхности (опорные точки 6 и
6’, торец б). Задача совмещения торцов решается размерной цепью Ао = А2А1,. где Ао - величина, на которую необходимо переместить пластину до касания ее торца опорной базы В. Совмещение боковых поверхностей а и а’ в процессе сопряжения может быть обеспечено прижимом М.
Рис.6.29. Схема базирования при сборке плоских деталей
П о с л е д о в а т е л ь н о с т ь р а с ч е т а и в ы б о р а н а и в ы -г
о д н е й ш и х с х е м б а з и р о в а н и я, о б е с п е ч и в а ю щ и х а в- т
о м а т и з а ц и ю с б о р к и и з д е л и й. Расчет и выбор схем базирования
деталей, обеспечивающих автоматическую сборку, выполняются с учетом следующих основных положений и в указанной ниже последовательности:
238
1. Проводится проверка правильности назначения технических требований
и условий собираемого объекта. Она должна определить правильность расстановки размеров, относительного положения поверхностей и их допусков. При
необходимости должны быть внесены соответствующие коррективы.
2. Определяются условия собираемости. Второй этап в значительной степени предопределяет расчет и выбор наивыгоднейших схем базирования, а в некоторых случаях найденные условия собираемости каких-либо деталей являются очень жесткими в точностном отношении, и выбор схемы базирования
для решения задачи автоматической сборки затруднителен. Это вызвано тем,
что схема базирования не может обеспечить высокие требования точности относительного положения собираемых деталей, удовлетворяющих условиям собираемости. Появляется необходимость в повторном пересмотре технических
условий объекта сборки и составляющих его деталей, включая пересмотр размеров и допусков на детали, входящие в объект сборки, для получения условий
собираемости, позволяющих выбрать соответствующую схему базирования для
обеспечения точности относительного положения сопрягаемых деталей при
автоматической сборке.
3. Выбирается метод достижения точности собираемого изделия. Расчет и
выбор схем базирования зависит от принятого для автоматической сборки метода достижения точности (полная, неполная, групповая взаимозаменяемость
или регулирование).
При выборе наивыгоднейших схем базирования необходимо: использовать в
качестве технологических баз поверхности, по которым будет происходить сопряжение; наметить принципиальную конструкцию базирующих устройств;
выявить принципиальные схемы размерных цепей системы «собираемые детали - сборочное устройство»; назначить допуски на звенья размерных цепей,
исходя из условий собираемости и принятого метода достижения точности
сборки изделия; использовать свойства самоустановки деталей в процессе сопряжения. Для этого одна из деталей должна иметь возможность перемещения
и поворота в любой из плоскостей проходящих через ось симметрии перемещаемой детали, что обеспечит компенсацию излишних погрешностей первоначального положения на исполнительных поверхностях базирующего устройства.
6.3.6.К и н е м а т и ч е с к и е и г е о м е т р и ч е с к и е с в я з и, о б е с п ечиваемые автоматическим сборочным устройством
Для сопряжения деталей типа вала и втулки по цилиндрическим поверхностям характерно непрерывное изменение положения одной из деталей в пространстве, сопровождаемое непрерывной сменой баз и силовым взаимодействием в системе собираемые детали - сборочное устройство. Силовое взаимодействие в указанной системе часто оказывает решающее влияние на работоспособность сборочного оборудования и качество сборки. Выявление действующих в процессе сопряжения сил - необходимое условие для построения
239
технологического процесса автоматической сборки.
Значительная часть исполнительных механизмов сборочных машин основана на прямолинейных перемещениях. Рассмотрим процесс сопряжения деталей по цилиндрическим поверхностям с помощью этих исполнительных механизмов.
Автоматическое сопряжение деталей по цилиндрическим поверхностям
состоит из следующих этапов:
- приведение деталей в соприкосновение перемещением одной детали к
другой со скоростью перемещения Vд и действующей силой пуансона Рп;
- скольжение торца вала по фаске неподвижной детали-втулки, сопровождаемое в начальный момент возможной деформацией поверхностей в местах
контакта, с последующим преодолением трения при скольжении и совмещением сопрягаемых поверхностей. Совмещение указанных поверхностей в случае
неправильно выбранных величин перекосов и относительных отклонений от
соосности сопровождается значительными деформациями как контактируемых
поверхностей (фасок), так и сопрягаемых поверхностей;
- перемещение одной детали в отверстии другой вдоль оси с преодолением сил трения, возникающих от массы вала, при наличии зазора в соединении и
с преодолением сопротивления, сопровождаемого деформацией двух деталей
при наличии натяга в соединении;
- окончание сопряжения.
На рис.6.30 представлены сопрягаемые с гарантированным зазором детали типа вала и втулки, базирующиеся по наружным поверхностям.
Размерные цепи А: Б; αΔ; βΔ определяют величины отклонений от соосности и относительных поворотов осей.
Учитывая, что базирование осуществляется в пространстве, величины
замыкающих звеньев на отклонения от соосности и относительные повороты
осей сопрягаемых деталей соответственно равны
T Δ Σ = T 2 A0 +T 2 Б 0 ;
T γ Σ = T 2 A0 +T 2 Б 0 .
240
Рис.6.30. Схема процесса смены баз при сопряжении
Анализ этих зависимостей позволяет установить точность базирования
вала относительно втулки. Отклонение от соосности вала и втулки зависит от
допусков на диаметры сопрягаемых поверхностей и отклонений базирующих
размеров ТАз и ТА4.
На 1-м этапе вал массой Мв развивает скорость Vд = 2 gh при свободном
падении с высоты h до момента соударения его торца с фаской втулки (ролика), и за счет кинетической энергии, равной E = Mв Vд / 2, происходит отскок
вала. Далее вал займет некоторое перекошенное положение относительно
втулки с углом перекоса γ (рис.6.31,а). Величина этого перекоса определяется
диаметром D втулки и d вала γ=arc cos d/D. Величина отклонения оси вала в
точке начала его торца с учетом относительного поворота
Δ E < C + Δо /2,
где С - величина фаски;
Δо - минимальный зазор в сопряжении.
На 2-м этапе действие силы пуансона вызывает реактивную силу, стремящуюся сместить вал (за счет скольжения торца втулки по фаске) относительно
втулки до полного совмещения их осей.
а
б
в
Рис.6.31. Схема взаимодействия сил при сопряжении деталей (вал-втулка)
Реактивная сила определяется:
R= (P+ Мв) ctg ψ,
где Мв - масса детали; ψ - угол фаски втулки.
Из формулы следует, что чем меньше ψ, тем больше реактивная сила R.
241
В большинстве случаев ψ = 45°, тогда R = Р .
Таким образом, при приложении осевой силы Р вал, скользя по фаске
втулки, смещается и поворачивается до полного совмещения осей.
На 3-м этапе перемещение вала вдоль образующей втулки способствует
тому, что втулка займет нужное ей положение. Нахождение втулки на технологической базе с зазором Δз между отверстием этого устройства Dо и наружным диаметром втулки Dвт ( Δз =Dо -Dвт ) вызывает смещение втулки в процессе сопряжения, а это, в свою очередь, способствует сопряжению.
На 4-м этапе при наличии на направляющих втулки под вал подпружиненных элементов (рис.6.31,б) перекосы практически отсутствуют, и процесс
сопряжения будет представлять собой параллельное скольжение валика по
фаске втулки и одновременное смещение сопрягаемых поверхностей, а зависимость действующих сил будет определяться формулой
R[ tg ψ + f(1+1/Cos ψ)]
P > -------------------------------.
1-f tg ψ
В данном случае сила Р достаточна для сопряжения.
Соотношение сил, возникающих в процессе сопряжения деталей валвтулка для схемы базирования, представленной на рис.6.31,в, будет
P> Pp + Fт tg ( +p)+f Fт ,
где Pp - радиально направленная составляющая силы N;
Fт - сила тяжести втулки;
ψ - угол фаски вала;
р - угол трения;
f - коэффициент трения.
Втулка в процессе сопряжения, скользя своей кромкой по фаске вала, отжимает с силой Рр призму до совмещения с образующей вала и втулки. Это
скольжение вызывает максимальный рост силы сборки, затем сила резко
уменьшается. Числовое значение силы Р прямо пропорционально погрешности
базирования ТΔΣ и обратно пропорционально податливости приспособления.
Отсутствие на сопрягаемых деталях фасок приводит к росту погрешности базирования, а это, и свою очередь, вызывает жесткое силовое замыкание с
возрастанием силы Р сборки. В результате в местах контакта возникает смятие
поверхностей. Изменение силы Р, действующей в процессе сборки сопряжения
двух деталей, от времени (или пути перемещения вала) может быть представлено графиком (рис.6.32).
На первом этапе вертикальной сборки от 0 до T1 вал свободно падает до
момента контакта его торца с фаской втулки. Второй этап Т1-Т2 характеризуется скольжением вала по фаске с одновременным поворотом в пределах перекоса γ. На этом этапе возможно смятие некоторого слоя металла с кромки одной из деталей на ее торце, в результате чего резко возрастает сила Р. На третьем этапе Т2-Т3 при натяге и соединении сила запрессовки Р возрастает, в случае зазора вал свободно входит в отверстие втулки, а сила Р =0.
242
Рис.6.32.. Взаимодействие сил по этапам сопряжения деталей
(вертикальное и горизонтальное исполнение)
6.3.7. Последовательность проектирования автоматического
сборочного оборудования
Конструктор при разработке автоматического сборочного оборудования
должен: располагать сведениями о надежно действующих сборочных механизмах, выявить основные возможные виды неполадок и определить методы их
устранения; автоматизировать только те операции, которые могут дать экономическую эффективность; ограничить число действующих сборочных агрегатов с тем, чтобы надежность всего комплекса сборочного оборудования была
высокой.
Разработка конструкции сборочной машины и определение ее компоновки должны обеспечить: точность индексации; доступность сборочных позиций
для быстрого устранения недостатков; удобство размещения подвижных элементов агрегатов; жесткость конструкции; легкость обслуживания: наличие
защитных устройств; возможность быстрой остановки сборочной машины по
сигналу от командного устройства.
С учетом состава технологического процесса автоматической сборки сборочная машина должна иметь:
- транспортные и бункерно-загрузочные устройства для последовательной
выдачи деталей в предварительно ориентированном положении;
- накопители или питатели в виде лотков для накоплений деталей в предварительно ориентированном положении;
- ориентирующие устройства, в которых происходит окончательная ориентация деталей перед поступлением их в отсекающие и захватывающие устройства;
- отсекающие и захватывающие устройства;
243
- базирующие устройства для установки собираемых деталей с необходимой точностью относительного положения для их последующего сопряжения;
- устройства сопряжения в виде сборочных головок и других силовых устройств;
- функциональные устройства для мойки, смазывания, нанесения наполнителей или клея и т.д.;
- устройства контроля, определяющие наличие деталей на сборочных позициях и правильность сборки изделия;
- средства и системы управления сборочным оборудованием.
Проектирование автоматического сборочного оборудования осуществляется в три основных этапа:
- составление технического задания;
- подготовка технического предложения;
- разработка технического и рабочего проектов.
Подготовке технического задания предшествует анализ технических условий изделия, сборку которого предполагается проводить автоматически. При
этом из всех технических условий, которые должны соответствовать служебному назначению объекта сборки, анализируются, в основном, те, которые могут оказать влияние на процесс автоматической сборки при выполнении сборочных операций и качество сборки изделия в целом.
Процесс выявления соответствия технических условий возможностям автоматической сборки сопровождается расчленением собираемого изделия на
отдельные сборочные единицы, соединения и составляющие детали, с последующим проектированием ориентировочной маршрутной технологии автоматической сборки изделий. Затем составляют технологическую схему сборки
изделия.
Технологические схемы сборки позволяют: определить базовую деталь,
ее перемещение по сборочным позициям, требования к загрузочным, подающим, ориентирующим и исполнительным устройствам для собираемых деталей
и соединений, установить последовательность выполнения всех сборочных переходов и операций.
Эта стадия сопровождается анализом собираемого изделия и его соединений на сборочную технологичность конструкций для автоматической сборки, в случае необходимости корректируются чертежи изделия и составляющих
деталей.
Техническое задание на проектирование автоматического сборочного
оборудования - исходный документ для его создания, разрабатываемый заказчиком.
Техническое задание содержит: чертежи изделия и составляющих деталей со всеми техническими условиями: требуемую производительность сборочного оборудования (шт/год); план участка цеха, в котором предполагается
разместить сборочное оборудование; данные о цеховой энергосистеме; данные
о качестве собираемого изделия.
Самым ответственным этапом проектирования является разработка тех244
нического предложения на автоматическое сборочное оборудование. На этом
этапе разрабатывается технологический процесс автоматической сборки, выявляются все задачи, подлежащие решению на последующих этапах. Техническое
предложение должно содержать технико-экономический расчет эффективности
автоматического сборочного оборудования. Техническое предложение согласовывается с заказчиком. Этот этап тесно связан с разработкой технологического процесса автоматической сборки.
Метод достижения точности соединения и схем базирования выявляется
исходя из условия собираемости, что является решающим при создании автоматического сборочного оборудования.
Условия собираемости определяют максимальные величины несовмещения сопрягаемых поверхностей соединения, при которых сопряжение возможно.
Для каждого из пяти методов достижения точности соединения может
быть использована автоматическая сборка изделия. От выбранного метода достижения точности соединения будут зависеть качество сборки, сложность, работоспособность автоматического сборочного оборудования и экономические
показатели разработанной системы. Исходя из этого метод полной взаимозаменяемости обеспечивает наилучшие результаты. Использование этого метода
позволяет обеспечить надежность работы оборудования и высокую производительность, не усложняя его конструкции. Перерасчет допусков на размеры и
относительные повороты поверхностей собираемых деталей проводится при
разработке технологического процесса сборки. Если по каким-то причинам
трудно провести перерасчет допусков на сборку деталей по методу максимума
и минимума, используется вероятностный метод расчета.
Наличие в изделии соединений, основанных на достижении точности
выходных параметров методами групповой взаимозаменяемости и регулирования, приводит к усложнению конструкции сборочного оборудования за счет
включения
систем
контрольно-измерительных
и
измерительнокомплектующих устройств.
Выбор схем базирования осуществляется на основе выявления: возможности использования поверхностей, по которым происходит сопряжение в качестве технологических баз или в крайнем случае поверхностей, оси которых
совпадают с осями сопрягаемых поверхностей, возможности регулирования
точности ориентации за счет собираемых деталей.
Если указанное выше невозможно, выбираются схемы базирования,
удовлетворяющие условиям собираемости. Для всех соединений определяют
условия собираемости и, в результате сопоставления погрешностей относительной ориентации, на сборочной позиции выбирают схемы базирования, соответствующие этим условиям. Выбор сборочных устройств предопределяется
оптимальными схемами базирования собираемых деталей. Схемы базирования
деталей уточняются еще на стадии разработки технического предложения. При
этом учитывают точностные требования к основным элементам сборочных
устройств исходя из установленных условий собираемости и точности схем
245
базирования, в некоторых случаях необходима экспериментальная проверка
работоспособности принятой схемы базирования и установки в целом.
Габариты и формы собираемых деталей определяют выбор бункерных,
ориентирующих и транспортных устройств. Вибробункеры используются, как
правило, для мелких деталей, подаваемых в ориентированном положении в загрузочные или подающие устройства. Кассеты или магазины используются для
относительно длинных деталей. Базовые крупные детали непосредственно устанавливаются на транспортные устройства.
Надежность работы автоматического сборочного оборудования определяется точностью относительного положения деталей перед сопряжением и в
процессе сопряжения. Обеспечение надежной работы автоматического сборочного оборудования возможно в том случае, когда величины допусков на относительные положения сопрягаемых поверхностей собираемых деталей удовлетворяют условиям собираемости
ΔΕ > Τд + εбаз + εизг + Τизн ,
где ΔΕ - допуск по условиям собираемости;
Тд - допуски на размеры и относительные повороты сопрягаемых
поверхностей собираемых деталей;
εбаз - погрешность базирования;
εизг - погрешность изготовления базирующих и сборочных устройств;
Τизн - допуск на изнашивание установочных элементов сборочного
приспособления.
После разработки технического предложения или задания разрабатываются общие виды автоматического сборочного оборудования (автоматов, автоматических линии), общие виды основных механизмов и устройств: составляется циклограмма работы оборудования на основе тщательного анализа работы
всех механизмов сборочного автомата или линии, позволяющих выбрать рациональную схему последовательности движений. Правильное составление
циклограммы определяет производительность оборудования.
Учитывая зависимость производительности сборочной машины от цикла
работы, при составлении циклограммы стремятся к сокращению времени на
все этапы цикла (транспортирование, фиксацию, закрепление, быстрый отвод и
подвод сборочных механизмов, разжим и расфиксацию объекта сборки).
Уменьшить время цикла можно за счет сокращения длины хода и увеличения
скорости перемещения механизмов, а также ускорения срабатывания аппаратуры управления. Уменьшение времени цикла достигается снижением количества
и времени активных движений за счет их полного или частичного совмещения.
Необходимо иметь в виду, что совмещение приводит к усложнению электрической схемы за счет введения специальных дополнительных блокировок. Остальные движения автоматического цикла (возврат транспортных устройств,
поворот объекта, сборка, работа контрольных устройств и др.) выполняются
одновременно с активными движениями.
Пример построения циклограммы сборочной машины представлен на
рис.6.33. В этой циклограмме учтены все элементы движения каждого меха246
низма и последовательность включения и выключения электроаппаратуры (конечных выключателей, электромагнитов пневмо- и гидроаппаратуры и др.).
Этап технического проекта заключается в разработке подробных чертежей общих видов всех специальных сборочных, ориентирующих, базирующих,
транспортных устройств, механизмов пневмо- или гидропривода, электрооборудования и средств контроля. Чертеж общих видов механизма или устройства
должны содержать подробные технические требования.
Рис.6.33. Циклограмма сборочной машины для сборки вилки кардана с
крестовиной, подшипниками и упорными пружинными кольцами:
I-VI - рабочие позиции, а.б,в,г,д.е,ж,з.и.к - переходы на рабочих позициях; 1-8 - номера рабочих электромагнитов-золотников; КУ - пусковая кнопка. РХ - рабочий ход механизма; XX
- холостой ход механизма, Вк1-Вк16 -конечные выключатели; 1- установка вилки и крестовины; а - установка вилки и крестовины: б - поворот стола; в - фиксация стола; 11 - ориентация и зажим деталей: г - ориентация. д - зажим; 111- запрессовка подшипников: е - прессование. IV - запрессовка упорных пружинных колец: ж - прессование; V - развод проушин
вилки: з - развод проушин, VI - разгрузка: и - разжим вилки: к - захват и укладка собранного
изделия в тару.
Разрабатывая чертежи общих видов, необходимо постоянно учитывать
требования точности относительного положения собираемых деталей, определяемые условиями собираемости, выбранных схем базирования.
На этапе технического проекта выполняются деталировка и контроль
всех механизмов, окончательная корректировка всей технической документации, разработанной ранее. Рабочий проект заканчивается разработкой руководства по эксплуатации сборочного оборудования. Руководство содержит: сводные ведомости и спецификации; техническую характеристику и описание; чер247
тежи общего вида всего оборудования и отдельных автоматов и механизмов;
указания по смазке механизмов, технологическую схему автоматической сборки; операционные (сборочные) чертежи собираемого изделия и составляющих
деталей, циклограмму работы автоматического сборочного оборудования; инструкции по монтажу и эксплуатации сборочного оборудования с указанием
быстроизнашивающихся деталей, требования по обеспечению его надежной
работы. Руководство также включает задание на проектирование фундамента
для автоматического сборочного оборудования и схемы выверки отдельных
автоматов и механизмов, необходимые для изготовления фундамента и монтажа оборудования на нем.
Совместно с заказчиком разрабатывают мероприятия по соблюдению качества деталей, входящих в изделие, собираемое на автоматическом сборочном
оборудовании.
6.3.8. Особенности автоматической сборки резьбовых,
шпоночных и шлицевых соединений
Трудоемкость сборки резьбовых соединений современных машин составляет 25-35% от общей трудоемкости. Автоматизация этих операций - один
из наиболее эффективных путей повышения производительности труда и снижения себестоимости сборочных работ.
Осуществление сборки резьбовых соединений требует выполнения двух
движений: поступательного (движения подачи) и вращательного, обеспечивающего свинчивание (соединение).
При сборке резьбовых соединений основными элементами являются:
стержень с винтовой нарезкой - резьбой (винт, болт, шпилька); деталь с резьбовым отверстием (гайка, корпус, плита). Все детали в резьбовом соединении
разделяют на две группы: соединяемые, соединяющие.
Болтовое соединение более сложное при автоматической сборке поскольку для ее проведения необходимо обеспечить подачу, базирование и фиксацию как болтов, так и гаек (часто и шайб). Общее количество переходов в
данном случае увеличивается до 15. Это приводит не только к усложнению
процесса сборки, но и к необходимости создания более громоздкого сборочного оборудования. При наличии базовых деталей с резьбовыми отверстиями необходима подача и базирование только одних винтов (или шпилек). Такое решение обычно проще, поскольку базирование и фиксация базовых деталей, как
правило, менее сложные операции.
Соединение резьбовых деталей проводится с разных направлений (сверху и снизу, справа и слева, спереди и сзади) и под разными углами к вертикальной и горизонтальной плоскостям.
При автоматической сборке разные детали, образующие резьбовое соединение, ведут себя неодинаково. Наиболее просты и удобны для ориентирования, подачи и базирования такие детали как гайки и шпильки. Проведение
этих операций, а особенно базирование болтов и винтов более сложно. Это
248
объясняется наличием у них головок, хотя последние и облегчают несколько
процесс ориентирования и подачи.
Операции завинчивания в автоматизированном режиме имеют определенные особенности. В ряде случаев необходима затяжка резьбового соединения с величиной крутящего момента, заданной в жестких пределах.
При комплектовании изделия завинчивание может осуществляться без
затяжки. При последующем монтаже такое соединение подвергается разборке.
При построении технологического процесса сборки резьбовых соединений и средств для его реализации можно идти двумя путями. Согласно первому
пути построение технологического процесса связано с обеспечением максимально возможной надежности всех функциональных звеньев автомата, а также необходимости обеспечения более высокого качества автоматически соединяемых деталей, чем это нужно по условиям их функционирования в данной
сборочной единице.
Реализация второго пути не требует выполнения каких-то особых требований ни к деталям, ни к средствам сборки. Однако, сам процесс следует выполнять так, чтобы любой сбой или отказ в работе автомата не влиял на работоспособность последнего в целом. В системе такого автомата необходимо
предусмотреть максимум блокировок и предохранительных органов, а в схемах
иметь элементы, сигнализирующие о сбоях и неполадках. Конструкция автомата должна также включать устройства отделяющие бракованные сборочные
единицы от общего потока годных.
Рассмотрим проектирование технологического процесса на примере сборочной единицы, состоящей из трех деталей: болта 1, гайки 2 и уплотнительной шайбы (рис.6.34).
Рис.6.34. Эскиз узла из трех деталей
В данном случае возможны четыре варианта технологического процесса,
отличающиеся последовательностью установки деталей на сборочных позициях и операциями соединения (рис.6.З5). Первый вариант (рис.6.35, а) характеризуется тем. что все детали (черные кружки) вводятся на сборочную позицию
(белый кружок) и базируются одновременно. Затем болт (рис.6.35,б) под действием исполнительного механизма вводится в резьбовое отверстие гайки и
скрепляет все детали в сборочную единицу (черно-белый кружок).
249
Второй вариант (рис.6.З5,в) осуществляется в результате последовательной установки деталей на трех сборочных позициях: на позиции 1 установлена
базовая деталь - гайка, на позиции П - шайба, на позиции Ш - болт. Этот процесс представлен на рис.6.35,г. Соединение деталей в сборочную единицу производится так же, как и в предыдущем случае.
Комбинация первых двух вариантов представляет собой третий. Схема
последовательно-параллельной сборки представлена на рис.6.35,д. На позицию
I подается две детали (гайка и шайба), на позицию П - болт. Затем осуществляется их соединение. Иная последовательность сборки представлена на
рис.6.З5,е. Сначала на позицию 1 подается гайка, затем на позицию II шайба и
болт одновременно (рис.6.35, ж).
В последнем случае установка деталей на сборочные позиция может чередоваться с операциями сборки (рис.6.35,з). На позиции I осуществляется подача болта, на позиции П -шайбы, после чего они соединяются в комплект III
(черно-белый кружок). Далее к этому подузлу присоединяется гайка (позиция
1У), после чего собранная сборочная единица снимается с позиции V
(рис.6.35).
250
Рис.6.35. Варианты сборки резьбового соединения:
а - одновременное базирование всех деталей; б - схема перемещения болта; в - последовательное базирование соединяемых деталей; г - графическое изображение схемы; д,е,з - чередование операций базирования с операциями сборки; и - графическое изображение схемы; к
- чередование операций базирования и сборки
На рис.6.З5,к изображен несколько иной вариант процесса с чередованием операций сборки и подачи деталей. Этот процесс отличается от предыдущего тем, что на позиции 1 подаются две детали (болт и шайба) одновременно.
Сопоставление этих схем позволяет сделать следующие выводы. Первая
из схем предполагает необходимость в однопозиционном сборочном устройстве (рис.6.35,а), что уменьшает габаритные размеры сборочного автомата, однако занимает сборочную позицию исполнительными механизмами подачи и раз251
грузки. Во второй схеме (рис.6.З5,б) указанные механизмы распределены по
разным позициям, что ведет к увеличению размеров автомата, требует соответствующей конструкции привода и фиксации шайбы на базирующей поверхности гайки (рис.6.35,г). При использовании схем, показанных на рис.6.35,в,д,
возникают аналогичные условия, но при несколько меньшем числе позиций.
Две последние схемы обеспечивают фиксацию шайбы по болту в процессе подачи деталей на сборочные позиции, что влияет на надежность работы
сборочного автомата.
Таким образом, предпочтение следует отдавать таким схемам, которые
позволяют распределить процесс на позиции так, чтобы на каждой последующей из них нужно было базировать возможно меньшее количество деталей или
подузлов. Минимальное их число равно двум.
Способы сборки резьбовых соединений в зависимости от вида энергоносителя, обеспечивающего требуемые технологические движения, можно подразделить на механические (перемещение активных деталей под действием
ключа, патрона, отвертки или другого аналогичного органа), электромагнитные, пневматические, гидравлические и др. Каждый из способов включает ряд
других, например, механический может включать фрикционный, порционный
и др.
Одним из механических способов является способ, обеспечивающий
сборку резьбовых соединений путем так называемого сканирования (автопоиска). При этом активная деталь, в данном случае винт, смещаясь относительно
резьбового отверстия, самоустанавливается так, что первоначальное смещение
сопрягаемых резьбовых поверхностей, препятствующих сборке, устраняется.
Тогда винт начинает ввинчиваться в отверстие даже в тех случаях, когда было
велико исходное рассогласование в относительных расположениях деталей.
Обеспечить сканирующее движение при наживлении винта в резьбовое
отверстие можно разными способами. Наиболее рациональны те, которые позволяют осуществить сканирование без дополнительных приводов. Таков способ возбуждения гибкого стержня 2 (рис.6.36,а), вращаемого двигателем 1 и
расположенного в кольцевом ограничителе 3. При касании ограничителя
стержнем последний начинает прецессировать, причем прецессия наблюдается
на любой скорости вращения, а ее частота равна собственной частоте колебания стержня. Сила сухого трения, направленная по касательной, действует на
стержень, контактирующий с кольцом 3. Ось стержня начинает обкатывать
внутреннюю поверхность кольца в направлении, противоположном вращению
стержня. Отклоняясь на угол γ, стержень перемещает соответствующим образом головку 4, несущую винт. Винт при этом "ищет" резьбовое отверстие и,
попав в него, ввинчивается, чем собственно и осуществляется сборка.
Рассмотреть более подробно положение винта в процессе сборки позволяют схемы, представленные на рис.6.36,б, в. Винт 3 в первоначальном положении наклонен по отношению к вертикали на угол β,. Величина угла определяется размерами винта и втулки 2, диаметр которой выбирают из расчета,
чтобы головка винта могла свободно проходить во втулку. Опускаясь вниз, на252
конечник 4 вращается, и его ось в результате прецессии отклоняется на угол γ.
В определенный момент времени наконечник входит в контакт с винтом, а возникающий в месте контакта момент трения заставляет винт вращаться
(рис.6.36,в), обеспечивая поиск отверстия. В процессе такого поиска угол γ все
время меняется, в связи с этим винт изменяет свое пространственное положение во втулке. Угол β наклона его оси переменный и, следовательно, изменяется положение нижнего торца винта, опирающегося на торец детали 1. В результате за время 0,1-0,3с винт “находит" резьбовое отверстие, а затем завинчивается.
На принципе захватывания основан сравнительно простой способ свинчивания путем сканирования. Сущность способа заключается в том, что если в
трубу, совершающую круговые колебания, поместить с зазором деталь
Рис.6.36. Схема способа сборки прецессирующим шпинделем:
а - схема прецессии гибкого шпинделя; б - исходное положение деталей перед
свинчиванием; в - положение деталей в начале свинчивания
(гайку, шпильку, болт, резьбовой стержень), то эта деталь начинает в трубе
вращаться с частотой, равной частоте колебаний трубы, в сторону, противоположную ее вращению.
Пример ввинчивания данным способом представлен на рис.6.37,а. В трубе 3, совершающей круговые колебания (направление вращения обозначено
стрелкой А), находится винт 2. В случае, когда зазор между винтом и внутренней стенкой трубы не очень велик, винт захватывается трубой и вращается в
обратном направлении (фрикционная пара). Отверстие детали 1 находится под
трубой. Отвертка 4, представляющая собой цилиндрический стержень с лезвием на нижнем конце, установлена свободно с зазором над винтом. Вращение
253
отвертки в направлении Б совпадает с направлением вращения винта. Вследствие незначительной несинхронности вращения лезвие отвертки западает в
шлиц винта. Отвертка, будучи более массивным телом с большим моментом
инерции, вызывает на верхнем торце винта дополнительный крутящий момент.
Под действием колебаний винт не только вращается, но и осуществляет автопоиск отверстия, в результате происходит его быстрое наживление.
Данный способ характеризуется простотой конструктивного исполнения
и авторегулировкой процесса, что исключает поломки при заклинивании резьбы или отсутствии наживления. Схема сборки, представленная на рис.6.37б,
обладает определенными преимуществами, отличаясь от предыдущей схемы
наличием маховика 5, укрепленного на стержне отвертки.
Рис.6.37. Схема способа сборки "захватыванием":
а - отвертки; б - отвертки с маховиком
Особенность этой схемы - в более высоких энергетических возможностях, обусловленных наличием маховика, создающего больший маховый момент. Воздействие отвертки на винт 2 прекращается. когда маховик, опускаясь,
упирается в верхний торец трубы 3. При этом ввинчивание винта в отверстие
детали 1 прекращается.
Данный способ обладает следующими преимуществами по сравнению с
рассмотренным выше: позволяет завинчивать болты, имеющие головки (круглые, шестигранные и др.), гайки и иные резьбовые детали; для соединения деталей не требуется специальных исполнительных механизмов, т.к. колеблющиеся трубки служат одновременно направляющими и исполнительными органами.
Фрикционно-инерционный способ сборки резьбовых соединений служит
для навинчивания резьбовых деталей типа гаек и шпилек. Его сущность заключается в том, что гайка (шпилька) получает вращение от фрикционного упруго254
эластичного круга, например, резинового, за счет сил трения (рис.6.38).
Рис.6.38. Схема фрикционно-инерционного способа сборки:
а - при навинчивании гаек; б - при ввинчивании шпилек
Гайка 1 (рис.6.38,а) ориентируется относительно болта 2 с помощью вертикального направляющего стержня 3, на котором она центрируется по внутреннему диаметру. Ось вращения фрикционного диска к вертикали и плоскость
диска к горизонтали наклонены под одинаковым углом α. Расстояние между
стержнем и осью вращения диска выбрано таким, чтобы при опускании по
стержню гайка 1 касалась своей шестигранной поверхностью периферии круга
диска с некоторым натягом. Наклон диска к оси гайки обеспечивает ее поджим
к торцу болта 2 и навинчивание на него.
Ширина диска и его расположение относительно торца болта определяют
три вида навинчивания: инерционное, фрикционное и фрикционноинерционное.
При инерционном навинчивании вращающаяся гайка навинчивается на
болт после того, как она полностью выйдет из "зацепления" с диском (навинчивание происходит за счет сил инерции).
Фрикционное навинчивание происходит за счет сил трения (после затяж255
ки резьбы диск проскальзывает).
Фрикционно-инерционное навинчивание заключается в том, что гайка
вначале навинчивается на некоторую длину болта, находясь в зацеплении с
диском, за счет сил трения, а потом, выйдя из зацепления с ним, навинчивается
еще на некоторое расстояние только за счет инерционного момента.
Схема фрикционно-инерционного ввинчивания шпилек показана на
рис.6.38, б. Шпилька 1 подается в направляющую трубу 3, которая соосна с
резьбовым отверстием 3. Опускаясь вниз по трубе, шпилька входит в контакт с
наклонным вращающимся диском 4, получает от него вращение и ввинчивается в резьбовое отверстие.
Хорошие результаты использования фрикционно-инерционного навинчивания гаек М6-М10 были получены при следующих параметрах процесса:
диаметр диска - 80 мм; частота его вращения - 2000 - 8000 мин-1; угол наклона
– α = 100 – 150.
В последнее время начали использовать для сборки резьбовых соединений так называемые способы бесконтактного вращения ввинчиваемой или завинчиваемой детали. Наиболее разработанным способом обеспечивающим
бесконтактное навинчивание, является электромагнитное навинчивание.
Ниже изложена сущность способа, в основу которого положено использование двигателя с катящимся ротором (ДКР). На рис.6.39 в расточке статора
1, снабженного многофазной или однофазной обмоткой 2, помещена резьбовая
деталь 3, играющая роль катящегося по этой расточке ротора. Часть сечений
статора охвачена короткозамкнутыми витками 4, что позволяет осуществить
сдвиг поля с помощью однофазной обмотки.
При подаче переменного тока в обмотку резьбовая деталь начинает обкатывать расточку статора, осуществляя поиск другой резьбовой детали. Детали
свинчиваются под действием момента, возбуждаемого вращающимся полем
статора при совмещении сопрягаемых поверхностей.
Существенная особенность и преимущество этого способа заключается в
том, что здесь резьбовые детали (гайки, винты и т.п.) вращаясь, совершают
мелкие и быстрые круговые движения, обеспечивающие процесс сканирования.
Перспективным является способ, который может быть использован при
разработке гайковертов. Его сущность заключается в том, что через гайку, помещенную в электромагнитное поле, пропускают электрический ток. Для этого
соединяемые детали вводят в полость электромагнитного индуктора, через обмотку которого также пропущен ток. Электромагнитное поле, протекающее
через гайку, взаимодействует с полем, возникающем в индукторе. В результате
создается силовой момент, вращающий гайку вокруг болта. Особенность данного способа в том, что в зависимости от направлений электрических токов
гайка может вращаться как вправо (навинчивание), так и влево (свинчивания).
256
Рис.6.39. Схема способа
электромагнитного свинчивания
Автоматизировать сборку шпоночных и шлицевых соединений деталей
трудно, поскольку необходимо обеспечить решение трех сложных технических
задач. Нужно достигнуть совпадения осей сопрягаемых посадочных, цилиндрических или конических поверхностей вала и втулки, их относительного углового положения в сечении, перпендикулярном оси одной из них, и осевого
положения вдоль базовой детали.
Обеспечить на практике абсолютное совпадение сопрягаемых поверхностей вала и втулки невозможно. Необходимо знать условия их сборки - предельно допустимое изменение относительного положения деталей, при котором еще возможно их качественное соединение. Условия сборки в каждый момент соединения деталей зависят от формы и размеров их сопрягаемых поверхностей.
В собранном шпоночном соединении укрепленная на валу шпонки может
занимать в пазу сопряженной детали различные положения (рис.6.40,а).
Условия их сборки характеризует угол, в пределах которого может изменяться
относительное положение сопрягаемых поверхностей деталей.
Величина угла τ, а следовательно, и допуск δτ зависят от соотношения
размеров сопрягаемых поверхностей деталей. В шпоночных соединениях зазор
мал, поэтому допуск δτ на их относительное положение в сечении, перпендикулярном оси базовой детали, будет жестким. Например, для шпонок, запрессованных на валы диаметром 6-100 мм и соединяемых с пазом
257
Рис.6.40. Схемы расположения деталей шпоночного соединения при
сборке: а, б — действительные схемы; в, г — расчетные схемы
сопряжённой детали, выполненным по (ГОСТ 8788-89), допуск δτ составляет от
±4′40″ до ±30″. Для облегчения сборки такого вида соединений деталей используют округления, имеющиеся на призматической шпонке исполнения А по
ГОСТ 8788-89, либо проводят зенкование фасок под углом 30° по контуру
шпоночного паза втулки. Тогда первоначальные условия сборки шпоночного
соединения могут быть существенно расширены. Для каждого конкретного
случая условия сборки могут быть определены исходя из того, что при использовании призматических шпонок относительное изменение положений деталей
ограничивается размерами фаски по глубине паза сопряженной детали, либо по
его боковой поверхности.
При касании деталей по фаске на боковой поверхности величина угла τн
можно найти из треугольников гО1д и еО1ж (рис.6.40,в).
258
ВА
Б '+ В В − С Вв ,
2
− arc tg
t н = arc sin
d'
d'
Г '+ В + t ' В
( Б '+ B B − C Вв ) 2 + ( Г '+ В + t 'В ) 2
2
2
2
2
+ С Ав
где d’в, d″в - максимальный диаметр конусного вала в точках касания е, и
(рис.6.41); ВВ —минимальная ширина паза втулки; tв —максимальная высота
выступающей из вала шпонки.
Для шпонки, расположенной параллельно образующей конусной шейки
вала:
t′в = tв/ Cosθ; t″в =(tв - Cdt)/Cosθ: d″в = d’в + Вв Sinθ: l″= l’ +1/2 Вв Cosθ;
для шпонки, параллельной оси вала:
t′в = tв; t″в =t′в - Вв/2 Sinθ: d″в = d’в +Вв tgθ; l″= l’ + Вв /2, где
Свt, Свв - минимальная высота и ширина фаски на боковой поверхности
шпонки; l’, l″ - расстояния вдоль оси вала от торца до точек контакта е, и на
шпонке; α,β - допустимые углы наклона вала от оси ΟΖ в плоскостях Χ′ΟΖ′ и
Υ′ΟΖ′
tg
2
α+
tg
2
β=
tg
2
θ.
При использовании шпонок исполнения А с радиусом скругления торца,
равным половине максимальной ширины шпонки Вв/2, формула, приведенная
выше упрощается, .так как СВв = Вв/2 (рис.6.41).
Допуски δ′Χ; δ′Υ на относительное смещение осей сопрягаемых поверхностей деталей вдоль координатных осей ох и оу будут
δ′Χ = δΧ Cos ψ; δ′Υ = δΥ Sin ψ; tgψ = tg β / tg α.
Допуски δ′Χ; δ′Υ и угол γ по мере соединения деталей изменяются, и к
моменту начала вхождения шпонки в паз сопрягаемой детали, они будут близки к нулю (для dа = 60 мм при натяге, равном 0,05-0,07 мм, z- Ca = 10 мм, а при
28мм - 1′20″; при натяге 0,02-0,025 мм, z- Ca =11 мм, а γ′= 8, при 20 мм - 3' и
при 36 мм - 1'), если сопряжение деталей происходит по посадочной цилиндрической ступени вала с гарантированным натягом.
Рис.6.41. Схема вала с конической посадочной ступенью и шпонкой
В других случаях угол γ' будет меньше ранее рассчитанного.
259
Определение условий сборки шлицевых соединений во многом аналогично шпоночным. Разница заключается в том, что обе задачи сборки - достижения точности совпадения осей сопрягаемых цилиндрических поверхностей и
относительного углового положения в сечении, перпендикулярном оси базовой
детали, — решаются совместно (рис.6.42). Однако эти условия, особенно в части достижения точности относительного углового положения, будут настолько
жесткими (δτ/2 = 7′50″ - 1′00″ для диаметра 6-98 мм), что изготовить шлицевые
валы и отверстия в сопрягаемых деталях с достаточной точностью расположения шлицев практически невозможно. Не могут быть существенно расширены
условия сборки и при создании заходной фаски на валу Св. Поэтому при осуществлении автоматизации конструкция шлицевого соединения деталей должна быть пересмотрена: необходимо либо заменить шлицевое соединение деталей на значительно более простое с точки зрения автоматизации сборочных
работ и изготовления деталей конического соединения с гарантированным натягом, либо зенковать фаски по периметру шлицевых пазов втулки или специально предусмотреть на валу шлицевый участок с утонченными шлицами.
Кроме того, должны быть предусмотрены заходные фаски на валу и в отверстии втулки.
Рис.6.42. Схемы расположения шлицевого соединения при сборке
При измененной конструкции шлицевого соединения начальные условия
сборки могут быть значительно расширены по величине допусков на относительное положение и износ базовых устройств, на точность базирования и положения сопрягаемых поверхностей деталей относительно базовых.
Для количественной оценки возможности сборки деталей в соединение
автоматическим путем необходимо выбрать схемы базирования. При этом следует стремиться к тому, чтобы базовую деталь установить и закрепить на жесткие опоры, а необходимые, для сборки повороты и перемещения обеспечить за
счет нежестких опор монтируемых деталей, которые обычно имеют меньшую
массу и габаритные размеры, а поэтому требуют для монтажа
260
Рис. 6.43. Схемы базирования деталей шпоночного соединения при сборке:
а, б — для достижения точности совпадения осей сопрягаемых цилиндрических
поверхностей деталей; в, г, д— для достижения точности относительного углового
положения деталей
меньшие сборочную силу и пространство для перемещения. В качестве базовых следует выбирать те поверхности деталей, которые обеспечивают наибольшую точность положения сопрягаемых поверхностей. Наибольшая точность достигается при центрировании непосредственно по сопрягаемым поверхностям. Поэтому при сборке шлицевых и шпоночных соединений в качестве базовой детали для достижения точности совпадения осей сопрягаемых
конических или цилиндрических поверхностей деталей следует выбирать вал.
Обеспечить базирование вала непосредственно по сопрягаемой поверхности
261
удается редко. Обычно в качестве баз вынуждены использовать сочетание двух
цилиндрических или конических наиболее удаленных одна от другой поверхностей, которые уже были использованы при изготовлении сопрягаемых поверхностей (например, центровые отверстия) либо изготовлялись на станке
вместе с ними с одной установки (рис.6.43).
Точность относительного углового положения деталей шпоночного соединения может быть достигнута базированием с центрированием ножевой
призмой шпонки вала с той стороны, с которой предполагают производить
монтаж втулки. После осуществления силового замыкания вала призма должна
быть возвращена в исходное положение, чтобы освободить пространство для
монтажа втулки. Втулку в угловом положении нужно базировать по шпоночному пазу 'центрирующим клином, размещенным в цилиндрической оправке (в
центрирующем конусе). В иных случаях базирование следует осуществлять по
поверхности втулки, расположенной с наибольшей точностью относительно
средней плоскости шпоночного паза. Все сказанное выше относительно базирования деталей шпоночного соединения относится также к шлицевым. Однако для деталей шлицевого соединения в угловом положении возможно базирование вала по впадинам шлица с помощью клина, который изготовить проще,
чем призму, поэтому предпочитают базирование центрирующим клином.
Таким образом, знания условий сборки соединения, качества поступающих на сборку деталей и точности их базирования дают возможность сопоставить их и заранее оценить техническую возможность создания автоматической,
сборочной машины. Так, если условия сборки более жесткие, чем допуски на
относительное положение сопрягаемых и базовых поверхностей соединяемых
деталей, то собрать соединение обычными автоматическими средствами не
удастся. Необходимо ужесточить допуски на детали, или заменить одну форму
сопрягаемых поверхностей на другую, или использовать относительную выверку деталей в сборочной машине. Вычитая из соответствующих допусков,
найденных по условиям сборки, допуски на качество деталей и их базирование,
можно установить допуски на точность сборочной машины, которые должны
обеспечить изготовление и длительную надежную ее эксплуатацию.
6.3.9. Автоматические сборочные машины и роботы
Состав автоматического сборочного оборудования определяется конструкцией изделия и технологией его сборки. В большинстве случаев автомати262
ческие сборочные машины используют для сборки изделий одного наименования или узкой номенклатуры сходных изделий, при годовой программе выпуска 200-500 тыс.шт. и более, вследствие чего они имеют специальное предназначение.
Обычно процесс сборки изделия делят на части и на отдельные сборочные единицы. Сборка узлов в зависимости от их сложности и изделия в целом
может выполняться отдельными сборочными машинами или автоматическими
линиями, имеющими ряд сборочных машин, объединенных транспортными
средствами.
Помимо выполнения переходов, непосредственно связанных с соединением деталей или сборочных единиц, на автоматическое сборочное оборудование возложены функции транспортирования, загрузки, ориентации, контроля
качества сборки, испытания и разгрузки.
Рассмотрим конструкции определенных устройств, для автоматической
сборки некоторых соединений деталей машин, наиболее часто встречающихся
в машиностроении.
У с т а н о в к а и з а п р е с с о в к а деталей по цилиндрическим поверхностям — наиболее распространенные операции при сборке изделий. Исполнительные устройства при запрессовке могут занимать любое необходимое
для установки втулки положение (рис.6.44,а). Запрессовываемые детали 7 подаются загрузочным устройством 2 из магазина 3 или лотка вибробункера. Так
запрессовывают втулку 1 в картер сцепления 6 автомобиля, установленный по
плоскости и двум отверстиям на пальцы 7 приспособления-спутника 8. После
его фиксации на позиции очередная втулка 1, поступающая из змеевидного
лотка магазина 3 в отверстие загрузочного устройства 2, надевается на насадку
9 оправки 10 штока 11 гидроцилиндра 4. При движении втулка 1 преодолевает
сопротивление трех подпружиненных отсекателей 5 и переносится к месту
сборки, где запрессовывается в картер 6. При этом в технологической системе
будут реализованы запроектированные ранее размерные связи.
Аналогично осуществляется запрессовка штифтов 1 в головки блока цилиндров 6 (рис.6.44,б). К месту сборки детали 1 подаются из магазина 3 шиберным загрузочным устройством 2, совершающим возвратно-поступательное
движение, и запрессовываются штоком 11 гидроцилиндра 4.
Для обеспечения качества соединения и сохранения качества деталей запрессовка, особенно подшипников, производится со скоростью поступательного движения 0,075-0,100 м/с.
Высокую производительность при установке и запрессовке деталей в
процессе сборки изделий в серийном и массовом производстве обеспечивает
использование универсальных самопереналаживающихся автоматических
263
Рис.6.44. Принципиальная схема устройства для
автоматической запрессовки деталей
сборочных устройств. Автоматические машины, снабженные такими сборочными устройствами, требуют минимальных затрат на их создание и эксплуатацию, поскольку имеется возможность использовать типовые исполнительные и
транспортные устройства с низкой точностью позиционирования (0,5-1 мм).
Сборочные устройства могут базировать и выверять перед сборкой относительное положение соединяемых деталей различной конфигурации и размеров
и обеспечивают их загрузку. Адаптивный принцип работы сборочных устройств, базирующие элементы которых изменяют свое положение в зависимости от конфигурации и размеров поступающих на сборку деталей, позволяет
осуществлять автоматическую переналадку оборудования на сборку различных
изделий.
На рис.6.45 показана принципиальная схема сборочной машины для
сборки подшипников качения. Машина изготовлена японской фирмой "Токио
Сеймицу". Наружное и внутреннее кольца из устройств автоматической загрузки 1 и 2 подаются в измерительный блок IV при этом, блок III контроля
наличия деталей включает программу последовательности II, выполняемую
блоком управления I. Результаты измерения блоком IV (3-устройство измере264
ния) диаметров, сопрягаемых поверхностей наружного А и внутреннего В
колец поступают в вычислительный блок V, измерительное устройство 8 которого определяет разность А-В. Пройдя через усилитель 9, эта разность, в зависимости от наличия комплекта шариков в кассетном устройстве 12, поступает
либо в устройство 10 выбора комплекта шариков, либо в устройство 11 формирования сигнала некомплектности.
Если имеется комплект шариков, соответствующий величине разности АВ, то устройство 13 при наличии сигнала от блока II программы последовательности, сверив для надежности с помощью измерителя 14 номер выбранной
группы шариков с их действительным размером, подает команду на механизм
15 управления затвором 16, который пропускает комплект шариков на позицию
17 комплектования с кольцами.
Рис.6.45. Схема автоматической машины для сортировки
и сборки подшипников:
1-19 - движение деталей;
I-VI - прохождение команд
В свою очередь, кольца, успешно пройдя контроль и дождавшись на позициях измерения результата выбора комплекта шариков, поступают в устройство 5, в котором внутреннее кольцо вставляется в наружное. Затем устройство
265
6 поворачивает скомплектованные кольца в положение, удобное для сборки с
шариками. На позиции 7 внутреннее кольцо наклоняется относительно наружного так, чтобы в образовавшуюся между ними щель могли быть засыпаны шарики. В таком положении кольца зажимаются и передаются на комплектовочную позицию 17, где и происходит их комплектация с шариками. На позиции
18 происходит окончательная сборка т.е. внутреннее кольцо устанавливается в
выпрямленное относительно наружного положения, и собранный подшипник
через устройство 19 покидает автомат.
Если в ячейках кассетного устройства 12 шарики размера, соответствующего вычисленной разности А-В, отсутствуют, то сочетание внешнего и
внутреннего колец, поступивших в блок измерения IV, будет считаться непригодным. Тогда, одно из колец сбрасывается с позиции измерения, а на его место подается новое кольцо, после чего описанный цикл повторяется до тех пор,
пока не будет подобрано сочетание, для которого в кассетном устройстве
имеются шарики соответствующего размера.
Такие универсальные автоматические сборочные устройства были созданы в Мосстанкине (А. с. СССР 465863, 483222, а также патенты США 3906607,
Великобритании 1467279, Франции 7430606, Японии 9808931). Универсальность загрузочно-транспортных средств достигается применением на выходе
из лотков упругих отсекателей 3 (рис.6.46,а), образующих призму, обеспечивающую центрирование и размещение по плоскости симметрии лотка 4 присоединяемых деталей 6 различных диаметральных размеров. Для обеспечения
установки в изделия различных по конфигурации и размерам соединяемых деталей исполнительные устройства автоматической сборочной машины должны
быть выполнены в виде набора элементов 2, диаметральные и другие размеры
которых соответствуют диапазону размеров устанавливаемых деталей 6. Наибольшей универсальностью обладают исполнительные устройства с цилиндрической формой поверхностей, поскольку такого вида поверхности могут обеспечить охват по наружному и внутреннему контуру большего числа различных
по конфигурации деталей, кроме того, устройства цилиндрической формы
проще в изготовлении. Если на деталях исполнительных устройств предусмотреть направляющие конусные поверхности, то можно повысить точность базирования и установки соединяемых деталей посредством их центрирования. Однако обязательным условием является независимая работа всех элементов набора исполнительных устройств автоматической сборочной машины.
Сборочные устройства, пригодные для транспортирования любым транспортным устройством замкнутого типа с непрерывным и периодическим движением собираемых изделий, имеют приспособления 7 для загрузки и относительной ориентации соединяемых в изделия деталей и загрузочнотранспортные лотки 4 и 13 (рис.6.46,б-д). Каждое приспособление 7 выполнено
в виде корпуса 1 с размещенным в нем набором независимых друг от друга
подпружиненных цилиндрических оправок с заходными поверхностями с уклоном 10-15°. Можно в приспособлении 7 вместо пружин 10 использовать сжатый воздух.
266
Рис. 6.46. Последовательность установки и запрессовки деталей
с использованием универсальных самопереналаживающихся
автоматических сборочных машин
При перемещении к лотку 4, установленного на транспортном устройстве
приспособления 7 с деталями-шестернями 6, набор подпружиненных оправок
2, размещенных в корпусе 1, утапливается нижней частью этого наклонного
лотка. При дальнейшем движении транспортера с приспособлениями 7 некоторые из оправок 2 под действием ранее сжатых пружин 10 войдут через щель
лотка 4 в отверстие детали 6, сцентрированной отсекателями 3 и поджимаемой
сверху грузом 5, покачивание которого ограничивается упором 11.
Шестерня 6 вместе с приспособлением 7, преодолевая сопротивление
подпружиненных отсекателей 3 и груза 5, перемещается дальше. Ее базирование по торцу 9 втулки 8 приспособления 7 осуществляется под действием собственной силы тяжести, а для легких деталей еще и сил магнетизма или разрежения. Шестерня 6 центрируется конусной частью одной из оправок 2. В таком
положении шестерня 6 поступает к лотку 13 с подшипниками 12 (рис.6.46,д).
При загрузке базирование подшипников 12 осуществляют только те оправки 2,
которые ранее прошли в отверстие шестерни 6. В остальном последовательность работы приспособления 7 и лотка 13 происходит аналогично тому, как
это совершалось при загрузке и центрировании шестерни 6. Лоток 13 расположен выше лотка 4 для обеспечения свободного продвижения под ним самой
высокой из ранее установленных деталей 6. По окончании установки подшипника 12 одна из оправок 2, которая ранее прошла в отверстие шестерни 6, сцентрирует подшипник 12 и выверит его положение относительно оси посадочного отверстия шестерни 6 (рис.6.46,д). В таком положении соединяемые детали
вместе с приспособлением 7 поступают под пуансон пресса 14 (рис.6.46,е, ж),
267
где подшипник 12 запрессовывается в шестерню 6.
На рис.6.46,е, ж из размерных цепей Ч и γ можно установить, что относительное положение соединяемых деталей зависит от малого числа составляющих звеньев Ч и γ принадлежащих технологической оснастке, и звеньев и
принадлежащих деталям (характеризующих положение их посадочных поверхностей относительно базовых), поэтому обеспечить соединение деталей
будет несложно.
Автоматизация сборки шлицевых и шпоночных
с о е д и н е н и й д е т а л е й. Примером устройства для автоматической
сборки шлицевых соединений может служить устройство для сборки вилки с
карданным валом (рис.6.47). Устанавливаемые детали (вилки 2) поступают по
направляющим лотка 8. Манипулятор 5 посредством центра 3 и части наружной поверхности корпуса 4 базирует вилку 2. При движении в направлении
вилки 2 одновременно с ее базированием осуществляется закрепление на манипуляторе 5 посредством подпружиненного рычага 6, скос которого вначале
отжимает рычаг, а затем обеспечивает вхождение в отверстие вилки 2.
В таком положении манипулятор 5 вместе с вилкой 2 возвращается в исходное положение, где подпружиненный центр 3 выверяет положение вилки 2
вместе с манипулятором 5 относительно центрового отверстия карданного вала.
После устройства 7 вилка 2 поворачивается до тех пор, пока ее шлицы не войдут во впадины карданного вала 1. Далее осуществляется сборка шлицевого
соединения деталей.
Автоматизация установки призматических шпонок с размерами 8х10х32 20х22х80 мм (ГОСТ 10748-79, ГОСТ23360-78) на валы может быть выполнена
на установке, разработанной в ЭНИМСе. Валы могут иметь длину от 150 до
700 мм с диаметрами 40...100 мм посадочных шеек с пазами под шпонку и
наименьшим расстоянием 40 мм от шпоночной канавки до торца вала.
Вал 1 (рис.6.48) базируется в центрах 5 и 6 по двойной направляющей базе,
а в осевом направлении — зубом-поводком 4 при поджиме подвижным вращающимся центром 6. Вал 1 устанавливается в центрах 5 и 6 манипулятором,
либо при подаче деталей из кассет — установки захватным устройством 2
(промышленным роботом). Шпонки 3 подаются к месту манипулятора из кассет барабанного магазина. Первоначально манипулятор размещает шпонку 3
под углом к оси центров вала 1. Затем вал поводком 4 шпинделя 7 приводной
бабки поворачивается до тех пор, пока шпонка 3 не попадет в шпоночный паз
вала 1. Далее манипулятор досылает шпонку 3 до края шпоночного паза.
268
Рис. 6.47. Схемаавтоматической
сборки шлицевых
соединений
Рычажный пресс
обеспечивает подвод
подвижной
опоры 10, а затем
производит
запрессовку.
Поскольку шпонка 3
имеет
первоначально
перекос,
торец пуансона 8
пресса
снабжен
подпружиненной
качающейся опорой 9, которая
поддерживает шпонку 3 в первоначальный момент ее запрессовки, чтобы исключить возможность выхода шпонки 3
из шпоночного паза вала 1. Непосредственно на запрессовку шпонки затрачивается 20 с. Затраты времени на установку вала и съем зависят от его массы и технологических средств загрузки (манипулятора или ПР).
Завинчивание и затяжка резьбовых соединений
д е т а л е й представляет значительные трудности, тем не менее автоматизация их сборки распространена в машиностроении. Винты с длиной l стержня,
превышающей диаметр D головки винта (рис.6.49, а), могут быть ввинчены в
собираемое изделие как сверху, так и снизу. Такие винты 1 (рис.6.49, б) обычно
поступают по трубчатому лотку 2 из вибробункера. Прежде чем попасть в гайковерт 3, винт 1 поступает по каналу к отсекателю 7 потока деталей (рис.6.49,
в,г). При отходе этого отсекателя и освобождении канала винт 1 перемещается
дальше до отсекателя 9 поштучной выдачи. При закрытии канала отсекателем 7
и открытии его отсекателем 9, очередной винт 1 под давлением сжатого воздуха поступает через штуцер 8 к гайковерту 3. При движении отвертки 4 кулачок
5, ранее направлявший винт 1 в вертикальный канал гайковерта 3, отжимается.
269
При дальнейшем перемещении отвертки осуществляется поджим винта и его
установка в упругих губках 6 гайковерта 3. Отвертка 4, имеющая на конце
форму, соответствующую форме шлица на винте 7, при вращении входит в
шлиц и завинчивает винт 1 до предельного его положения в собранном изделии.
При подаче винта 1
снизу (рис.6.48, д,е) по трубчатому лотку 2, он не может
быть подан непосредственно
к месту установки. Для этой
цели необходим качающийся
рычаг 12 с гнездом под винт
7, который периодически совершает колебательные движения в горизонтальной
плоскости. Возможна подача
винтов к месту их установки
посредством наклонных загрузочно-транспортных лотков 10 (рис.6.48,ж, к), снабженных отсекателями 7 и 9.
Рис.6.48. Схема автоматической сборки
шпоночных соединений
270
Рис.6.49. Способы подачи, завинчивания и затяжки резьбовых соединений
Винты 1 поштучно поступают на вильчатый качающийся рычаг 11, откуда гайковертом с отверткой 4 доставляются к месту их завинчивания
(рис.6.49,з,и).
При горизонтальном положении винта 1 в собранном изделии его транспортирование к месту установки можно также осуществлять с использованием
лотка 10 и качающегося в вертикальной плоскости рычага 12. Винт 1
(рис.6.49,к) поступает в вильчатый приемный качающего рычага 13, перед тем
как его установит на место отвертка гайковерта (рис.6.49,л).
Для завинчивания деталей в собираемые изделия требуется сложная
транспортная траектория движения, которую может обеспечить только сборочный робот. В этих случаях инструмент (винтоверт 4) может либо неподвижно
закрепляться на запястье руки 13 робота 14 (рис.6.50), либо в его захватном
устройстве 11 призматического типа, если в процессе сборки изделий возникает потребность в установке других присоединяемых деталей и инструмента 4.
Эти инструменты обычно постоянно подключены к пневматической и электрической сетям 6, подвешены на балансирах 5 и размещаются в пазах стола 8. Их
положение определяют его верхняя плоскость и два установочных пальца 7.
271
Рис. 6.50. Принципиальная схема сборочного робота
для завинчивания винтов
Винты 1 при сборке поступают из вибробункеров по эластичным шлангам 3 под действием сжатого воздуха со скоростью до 25 м/с. Центрирование
винтов 1 для компенсации относительного положения соединяемых деталей
обеспечивается упругими губками 2. Далее осуществляется перемещение руки
13 сборочного робота 14 к поcледующим отверстиям базовой детали для завинчивания винтов 1 и их затяжки с заданным моментом отверткой винтоверта
4. После выполнения работ винтоверт 4 устанавливается вновь на стол 8, для
чего сборочный робот 14 базируется по отверстиям пластины 12 на установочные пальцы 7. Для компенсации разницы в положении захватного устройства
11 по высоте имеются две штанги 10, которые при встрече препятствия, отжимая пружины 9, перемещаются вверх. При необходимости со стола 8 может
быть взят роботом другой инструмент или винтоверт для выполнения новых
работ.
При построении автоматического процесса сборки изделия важным является вопрос компоновки сборочного оборудования.
Использование однопозицнонных сборочных машин в известной мере
сокращает объем транспортных операций. Однако у такой сборочной машины
число самостоятельных загрузочных, ориентирующих, питающих и собирающих устройств должно быть равно числу последовательно монтируемых деталей в сборочную единицу (рис.6.51,а). Это требование снижает возможность
272
концентрации операций, может значительно усложнить конструкцию сборочной машины и доступ к ней при наладке. Поэтому однопозиционные сборочные машины используют для сборки узлов с малым числом деталей, входящих
в их состав, или в случаях, когда собираются одинаковые детали и смонтировать их можно одновременно.
Более широкие возможности в этом отношении предоставляют многопозиционные машины, допускающие параллельное выполнение разных по содержанию операций (рис.6.51, б). На загрузочной позиции такой машины в
приспособление устанавливается базирующая деталь изделия, периодически
переходящая вместе с приспособлением с одной позиции на другую, в каждой
из которых совершаются свои сборочные операции. Приспособления обычно
размещают на поворотном столе, за один поворот которого выполняется полный цикл сборки изделия. Обычно многопозиционные машины имеют не более
шести-восьми рабочих позиций, что ограничивает их использование для сборки сложных изделий.
а
б
Рис. 6.51. Схемы компоновки сборочных автоматов:
а — однопозиционного: 1- приспособление; 2 - собираемое изделие; 3 - сборочная головка: 4
— магазинное устройство; 5 - стол сборочного автомата: 6 — стол; 7 — манипулятор: б—
многопозиционного: 1-5 рабочие позиции; 6—манипулятор; 7- стол; 8 - поворотный стол; 9 приспособление: 10 — сборочная головка; 11 - магазинное устройство
Сборка сложных изделий ведется на автоматических линиях, которые
могут быть составлены как из однопозиционных, так и из многопозиционных
машин. На автоматических линиях может быть совмещена сборка отдельных
сборочных единиц и в целом изделия, подобного, например, блоку двигателя
внутреннего сгорания, электродвигателю и т.п. Все позиции автоматической
273
линии связаны между собой транспортными устройствами, доставляющими к
сборочным машинам спутники с установленными на них базирующими деталями. Выполнение операций сборки на каждой позиции возможно с трех сторон одновременно, что предоставляет свободу в совмещении операций.
Для сборки изделий, изготовляемых в очень большом количестве, как,
например, роликовых цепей, используют высокопроизводительные роторные
автоматические линии. В состав роторной линии входят сборочные роторы,
транспортные роторы, устройства автоматической загрузки собираемых деталей, контроля и др. Процесс сборки осуществляется непрерывно. При этом в
каждом технологическом роторе за полный его оборот осуществляется одна
сборочная операция.
Автоматическая сборка с использованием п
р о м ы ш л е н н ы х р о б о т о в. Главным преимуществом ПР по сравнению со сборочными машинами является их способность перестраиваться на
сборку других изделий. Наличие устройств программного управления повышает уровень универсальности этих машин и делает возможным их использование при автоматизации сборки в многономенклатурном серийном производстве.
Функции любого робота сводятся к ряду типовых действий в пространстве: взять - положить, поднять - опустить, повернуть, перенести и т.д., на базе
которых можно осуществлять транспортирование деталей к месту сборки, их
ориентирование, выполнение разнообразных технологических операций, контроль качества, сборки и др.
Существенному прогрессу в роботостроении и расширению их возможностей способствует развитие электронной и микропроцессорной техники. Если первые ПР предназначались для замены человека на простых повторяющихся операциях, то в настоящее время роботы осуществляют сложные сборочные
операции, выполнение которых обычно поручалось рабочим высокой квалификации. Развитие идет от жестко программируемых автооператоров и манипуляторов к роботам с программным управлением и адаптивным ПР.
Простейшие адаптивные системы по силам и крутящим моментам дополняются в настоящее время в ПР сенсорными устройствами. К числу таких
устройств, особо расширяющих возможности роботов при сборке изделий,
следует отнести визуальные (техническое зрение), тактильные и кинетостатические (осязание и ощущение давления).
Например, визуальные сенсорные устройства (ВСУ) позволяют:
- вести наблюдение за процессом соединения деталей и управлять адаптивными сборочными устройствами; осуществлять комплектацию узлов;
- проводить 100 %-ный контроль по внешнему виду и размерам и выдавать
статистические сведения о характере отклонений от нормы:
- сортировать изделия по внешнему виду и размерам и избирать нужную
деталь при захвате ее с движущегося конвейера, со стеллажа или из тары;
- осуществлять 100 %-ный контроль цветовой характеристики покрытия;
вести дистанционное управление процессом сборки и др.
274
Форма организации сборки с применением ПР в основном зависит от сложности изделий и может целиком выполняться либо на одном рабочем месте,
либо на линии, оснащенной ПР.
В первом случае вокруг робота размещают питатели с деталями, подлежащими монтажу, набор захватных устройств, различные инструменты, которыми робот переоснащается сам, и стационарные установки (сверлильные головки, прессы и т.п.), к которым робот подает собираемое изделие для выполнения ими каких-то операций. Расширение возможностей сборки на одном рабочем месте обеспечивает использование «многоруких» роботов.
На рис.6.52 в качестве примера показан сборочный центр с ПР, производящим сборку генераторов переменного тока, состоящих из 17 деталей. Центр
имеет две позиции: для сборки узлов и для общей сборки генераторов. Статор,
комплекты щеток и диодов, а также задняя крышка собираются ротором предварительно и поступают на общую сборку как узлы. Вся узловая сборка выполняется роботом вдоль вертикальной оси. Сначала передняя и задняя крышка
генератора устанавливаются в двух зажимных приспособлениях, затем в переднюю крышку монтируется шарикоподшипник. Далее в заднюю крышку запрессовывается ротор, а передняя крышка переворачивается и устанавливается
на ось ротора, после чего ПР устанавливает на ротор прокладку, крыльчатку
вентилятора, шкивы, пружинную шайбу и гайку, завинчиваемую гайковертом.
Управление ПР осуществляется от ЭВМ, что обеспечивает не только
движения робота по нужной траектории, но и управление скоростью движения.
ПР оснащен сенсорными устройствами тактильного и силового очувствления,
позволяющими при жестких допусках сопрягать детали плавно и быстро.
При сборке генератора используются шесть инструментов, которые приходится менять 8 раз за цикл. На каждый переход в сборке и на смену инструмента затрачивается в среднем по 6 с. На этом же центре после переналадки
можно собирать электродвигатели, насосы, редукторы определенных конструкций и др.
Использование ПР в автоматических линиях с дифференциацией операций дает значительную экономию в затратах вспомогательного времени. Помимо этого отсутствует ограничение в использовании ПР, создаваемое сложностью изделия. Затраты на большее число роботов в значительной мере окупаются сокращением затрат на вспомогательное оборудование, необходимое для
оснащения рабочего места индивидуального робота.
В автоматических линиях в зависимости от сложности операций могут
использоваться роботы различных типов: от жестко программируемых до ПР
высокого уровня. Часто оказываются предпочтительными сочетания позиций
концентрированной сборки с дифференцируемой. Возможно использование
двух-трех роботов для обслуживания одной позиции. Число роботов в позициях может изменяться, что обеспечивает гибкость сборочных участков.
Примером такой линии может служить одна из экспериментальных линий системы АРАS фирмы “Вестингхаусе” (Westinghouse, США), предназначенная для сборки восьми моделей малогабаритных электродвигателей. Линия
275
(рис.6.53) состоит из двух участков. На первом (рис.6.53,а) ведется предварительная сборка торцовых крышек. Здесь работают два быстродействующих
прецизионных ПР А-1 и А-2 с телекамерами V-1 и V-2, осматривающими рабочую зону и проверяющими комплектацию и качество сборки. Правильной запрессовке деталей способствует адаптивное управление по силе. ПР А-3 и А-4 с
управлением от мини-ЭВМ устанавливают тумблеры, конденсаторы и переключатели под контролем ВСУ (телекамеры V-З и V-4).
На участке общей сборки двигателей ПР А-5 устанавливает статор и ротор на нижнюю торцовую крышку, а затем устанавливают на них верхнюю
крышку. ВСУ проверяет качество ротора, ориентацию статора в устройстве подачи, помогает центрировать статор в нижней крышке. ПР А-6 вставляет соединительные болты в частично собранный двигатель, затягивает их при контроле крутящего момента, вставляет смазочный штуцер и внутреннюю крышку.
Рис.6.52. Вариант компоновки сборочного центра с ПР, управляемых от ЭВМ:
1 - манипулятор робота; 2 - передняя крышка: 3 - упругое захватное устройство; 4 - инструмент; 5 - лоток с винтами; 6 - штатив для хранения инструмента: 7 - отвертка; 8 - сменные
276
инструменты: 9 - фиксаторы; 10 - поворотный инструмент; 11 - обучающий и управляющий
блок; 12 - шкивы; 13 — прокладки для подшипников; 14 - стопорные шайбы; 15 - гайки; 16 прокладки под крыльчатки вентиляторов: 17 - роторы; 18 - позиция выдачи готовых изделий; 10 — задние крышки: 20 - крыльчатки вентиляторов; 21 - зажимное приспособление
для общей сборки: 22— зажимное приспособление для сборки комплектов
ВСУ на этой позиции проверяет соосность отверстия под болты. Наконец, ПР А-7 вставляет собранный двигатель в корпус под контролем ВСУ,
обеспечивающим совмещение крепежных колец двигателя с опорными стойками корпуса.
Из рассмотренных примеров видно, что важнейшую роль в развитии ПР
играют микропроцессорное управление и устройство адаптации, среди которых сенсорные системы, особенно визуальные, обеспечивающие в роботизированном комплексе «техническое зрение», являются перспективными. Использование ПР, оснащенных ими, несмотря на то, что ПР оказываются значительно дороже обычных манипуляторов, обеспечивает высокий рост производительности и экономию человеческого труда.
В целом можно заключить, что в робототехнике происходит переход от освоения отдельных ПР к созданию адаптивных роботизированных технологических систем, которые могут быть успешно использованы для автоматизации
сборочного производства.
277
Рис.6.53. Вариант установки оборудования на экспериментальном
участке для сборки малогабаритных электродвигателей:
А — роботы: V — телекамеры; Р — магазинные устройства; В-1 - бункерное устройство;
С — конвейеры; SE — конвейеры возврата поддонов
278
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3 208
Размер файла
9 839 Кб
Теги
технология, автоматизированной, основы, производства, машиностроение
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа