УМК по АПП - бакал

2.2. Станки с числовым программным управлением

Одна из основных особенностей обработки заготовок на станках с ЧПУ - полуавтоматический цикл обработки. Циклом обработки называется совокупность движений рабочих органов станка, который повторяется при обработке каждой заготовки. Станки с ЧПУ относятся к полуавтоматам, так как все движения цикла автоматизированы, а загрузка обычно ручная. Автоматизация загрузки (например, с помощью манипулятора) делает цикл автоматическим, и система полуавтомат - манипулятор превращается в комплекс с автоматическим циклом.

При обслуживании станка с ручным управлением рабочий-оператор принимает непосредственное участие в процессе обработки, перерабатывает поступающую информацию и вырабатывает команды управления станком. Чем выше квалификация оператора, тем более сложную работу он может выполнять.

Оператор постоянно контролирует ход процесса в соответствии с заданным алгоритмом обработки. Он знает, в каких случаях управляемый объект функционирует правильно, а в каких требуется вмешательство оператора. В последнем случае рабочий совершает те целенаправленные воздействия на технологическую систему, которые устраняют нежелательные последствия возмущающих внешних сил.

Автоматический цикл совершается без участия человека. Чтобы комплекс (станок - манипулятор) длительное время функционировал самостоятельно, его надежность должна быть более высокой по сравнению с системами, которыми управляют вручную.

Все входные и выходные параметры технологической системы рассчитаны на определенное оптимальное значение, что обеспечивает ее функционирование. Если какой-либо параметр выходит из заданных пределов, то работа системы нарушается. Поэтому одно из основных условий высокой эффективности обработки - стабильность обработки.

Под стабильностью понимается постоянство параметров технологической системы: а) свойств и размеров заготовки (материал, припуск, состояние поверхности и др.); б) свойств режущих инструментов (конструктивные параметры, материал, прочность, точность, геометрия и др.); в) режимы резания (V, S, t); г) параметры станка (точность, жесткость, виброустойчивость и др.); д) стружкодробление и стружкоудаление.

Общепринятые нормы и представления, опыт обработки, полученный при обслуживании станков с ручным управлением, нельзя механически переносить на станки с ЧПУ, а нужно корректировать применительно к новым условиям обработки. Когда появилась новая система управления, то первоначально ею оснащались обычные серийные модели станков. Этот опыт не дал требуемого результата. Потребовалось изменение конструктивных параметров станков и их приводов, увеличилась жесткость станков, появились инструментальные магазины, наклонные направляющие для токарных станков и т.д. Попытки использовать на станках с ЧПУ обычные инструменты также оказались неудачными. Было замечено, что станкам с ЧПУ требуются специальный инструмент и оснастка. При этом предъявляются специальные требования к выбору деталей и заготовок.

Важной особенностью обслуживания автоматов и полуавтоматов является программирование обработки. Их функционирование во многом определяется качеством программного обеспечения. Если программное обеспечение правильно учитывает все особенности самого автомата и детали, то обработка будет эффективной. На станках с ЧПУ по сравнению с обычными станками качество обработки в меньшей степени зависит от квалификации и опыта рабочего, а в большей степени - от качества автомата (технологической системы) и добротности программного продукта.

Для обслуживания станков с ЧПУ на предприятиях существует технологическая служба по разработке программного обеспечения.

Процесс программирования содержит следующие этапы:

а) технологический; б) расчетно-аналитический; в) кодирование; г) запись информации на программоноситель; д) контроль; е) отладку и внедрение.

В технологический этап входят разработка процесса обработки и оформление технологических документов, т.е. выбор оборудования, инструмента, оснастки, способа базирования, режимов резания; техническое нормирование, определение структуры операции (числа и последовательности технологических переходов), траектории инструмента.

Содержанием расчетно-аналитического этапа является определение координат опорных точек. Траектория движения инструмента относительно детали может быть весьма сложной, но ее всегда можно разбить на элементарные участки – отрезки прямой или дуги окружности. Точка сопряжения двух смежных участков называется опорной точкой. Их число равно числу участков. Опорные точки определяют границы участков. Чтобы задать перемещения инструмента, нужно определить координаты опорных точек. Составляется управляющая программа, которая проверяется предварительно на координатографе. После выявления ошибок, оператор их устраняет и проводит дальнейшую отладку непосредственно на станке.

Станки с ЧПУ имеют полуавтоматический цикл работы. Следует различать время рабочих и холостых ходов, а также вспомогательное время t _в.

Время цикла обработки заготовки на станке с ЧПУ включает

T_ц = t _р + t _в + t _х = t_пр + t_в ,

где t_пр - программное время; t_х - время вспомогательных ходов, выполняемых станком; t_в - время вспомогательных ходов, выполняемых вручную; t_р - время рабочих ходов, выполняемых станком.

Таким образом, зная время цикла обработки заготовки на станке с ЧПУ, можно оценить его производительность

П = 1 / Т_ц = К / (1 + h_х + h_в) = K η,

где К – технологическая производительность; t_х / t_р = h _х - доля времени холостых ходов, выполняемых во времени рабочих ходов; t_в / t_м = h_в - доля времени вспомогательных ходов, выполняемых во время рабочих ходов; t_м - машинное время (время непосредственной обработки) и η = 1 / (1 + h_х + h_в) - коэффициент производительности. Анализ полученных выражений позволяет сделать заключение, что основным способом повышения производительности станка с ЧПУ является сокращение времени рабочих ходов, вспомогательного времени и времени холостых ходов.

Станки с ЧПУ обладают высокими технологическими возможностями, но опыт показывает, что при обработке одних деталей их эффективность очень велика, а при обработке других – незначительна. Успех эффективной эксплуатации во многом зависит от правильного подбора номенклатуры деталей для обработки на станке.

В общем случае трудоемкость обработки

Т = С / В,

где С - сложность обработки; В - технологические возможности используемого оборудования (производительность оборудования). Сложность обработки С характеризует объем выполняемой работы, технологические возможности В – производительность оборудования при заданных качественных показателях продукции и трудоемкость Т - время выполнения работы. Затраты на обработку складываются из затрат живого и овеществленного труда.

а) б)

Т Т

С = const В = const

В С

З = (С / В) + В

З = В

З = С / В

Первая составляющая затрат пропорциональна трудоемкости обработки, вторая - затратам на приобретение технологического оборудования.

Полагая, что более производительное технологическое оборудование с ЧПУ стоит дороже, затраты в упрощенном варианте можно представить выражением

З = Т + В = С / В + В .

На рис. 2.2.2 приводится графическая зависимость от технологических возможностей оборудования с ЧПУ. График показывает, что для каждой детали существует определенный тип оборудования с ЧПУ, которому соответствуют определенный уровень автоматизации и оптимальные технологические возможности.

Использование при обработке сложных С деталей, оборудование с низкими технологическими возможностями В требует больших затрат З (левая часть графика). Но обрабатывать простые детали на оборудовании с ЧПУ, имеющим высокий уровень автоматизации и технологические возможности, является неэффективным из-за больших затрат З (правая часть графика). Согласно графической зависимости, приведенной на рис. 2.2.1, б, сложность решаемых технологических задач при обработке на станке с ЧПУ должна возрастать.

Проектирование технологических процессов для станков с ЧПУ является важной частью технологической подготовки производства. Разработка технологических процессов в соответствии с ГОСТ 14.301 - 73 включает:

выбор заготовки;
выбор технологических баз;
подбор технологического процесса;
определение последовательности и содержания технологических операций;
определение средств технологического оснащения;
выбор режимов резания;
нормирование процесса;
определение квалификации оператора-наладчика;
организацию производственного участка;
выбор средств механизации и автоматизации;
оформление технологической документации.

Основным технологическим документом является маршрутная карта, которая в соответствии с ГОСТ 3.1105 – 74 содержит перечень операций в порядке их следования. Операционная карта в соответствии с ГОСТ 3.1418 – 74 для станков с ЧПУ включает наименование операций, модель станка, тип системы ЧПУ, номер программы, координаты всех опорных точек с указанием по каждому переходу режимов резания, номера корректоров и технологических команд.

Технологическая подготовка для станка с ЧПУ имеет свои особенности по сравнению с универсальным оборудованием. Анализ штучно-калькуляционного времени Т_шк.-к для станков с ЧПУ позволяет выявить резервы в повышении их производительности

Т_шт.-к = Т_о+ Т_всп + Т_п-з / n = Т_о + Т_в.х + Т_у + Т_см.ин + Т_{орг.тех} + Т_п-з / n,

где Т_о – основное ( технологическое ) время; Т_всп - вспомогательное время;

Т_п-з – подготовительно-заключительное время; n – число заготовок в партии; Т_в.х – время вспомогательных ходов станка; Т_у – время установки (базирования и закрепления) заготовки; Т_см.ин – время смены инструмента; Т_{орг.тех} – время организационно-технического обслуживания, затрачиваемое на замену затупившегося инструмента.

Вспомогательное время характеризует степень автоматизации станка, а подготовительно-заключительное – степень его гибкости, т.е. возможность быстрого переналаживания. Чем выше степень автоматизации станка, тем меньше Т_п-з, т.е. тем меньше времени затрачивается на переналадку станка при переходе на обработку новой партии заготовок. Анализ работы станков с ЧПУ показал, что все составляющие Т_шт.-к можно сократить путем реализации требований, предъявляемых к технологической и инструментальной оснастке, а также непосредственно к режущему инструменту.

При обработке деталей типа «тел вращения» на токарных станках с ЧПУ используют для закрепления заготовок специальные быстрозажимные автоматизированные конструкции патронов и при обработке корпусных изделий на сверлильно – фрезерно - расточных станках с ЧПУ используют специальные механизированные приводы для закрепления непосредственно заготовки или паллеты с заготовкой. Несоблюдение этих требований значительно снижает эффективность станков с ЧПУ. Кроме этого, приспособления и технологическая оснастка, которые используются для закрепления и установки заготовок на станке, должны иметь повышенную размерную точность.

В зависимости от уровня автоматизации все эти операции выполняются на станке с ЧПУ оператором-наладчиком вручную. После базирования заготовки на станке оператор-наладчик либо вручную, либо система управления станка в автоматическом режиме осуществляют привязку к координатам станка или к нулевой (реперной) точке.

Наиболее существенное сокращение времени простоев станков с ЧПУ достигается путем уменьшения времени зажима-разжима заготовок. Возможность обработки на станках с ЧПУ максимального числа поверхностей заготовки с одной ее установки резко увеличивает цикл обработки заготовки на одном станке, что обусловливает возможность смены заготовки вне рабочей зоны станка или вне станка во время обработки другой заготовки. При этом доля машинного времени в общем балансе штучно-калькуляционного времени резко увеличивается, что обусловливает возможность совмещения времени, затрачиваемого на смену заготовок, со временем работы станка. Наиболее эффективным средством сокращения вспомогательного времени, затрачиваемого на смену заготовок, т.е. транспортирование, установку, закрепление, раскрепление и съем, при цикле обработки, превышающем время, затрачиваемое на эти приемы, является смена заготовок во время работы станка.

Таким образом, время простоя дорогостоящего станка с ЧПУ, затрачиваемое на смену заготовок, сокращается. При этом сокращается также подготовительно-заключительное время на смену приспособлений для обработки новой партии заготовок, поскольку их смена и установка в них первой заготовки следующей партии также совмещается со временем работы станка.

Для смены заготовок вне станка применяют два приспособления, в одном из которых, установленном вне станка на спутнике, производится раскрепление и съем обработанной заготовки, а затем установка и закрепление заготовки, подлежащей обработке, в то время как в другом приспособлении со спутником, установленным на столе станка, производится обработка заготовки.

Существенный резерв в сокращении штучно-калькуляционного времени на станке с ЧПУ заложен в широком использовании специальной инструментальной оснастки - режущего и вспомогательного инструмента. Инструментальная оснастка для станков с ЧПУ должна удовлетворять следующим требованиям: обеспечивать стабильные режущие характеристики; производить формирование и отвод стружки; быть универсальными; обеспечивать быструю смену при переналадке.

В настоящее время для станков с ЧПУ используют большое многообразие инструментальных систем (рис. 2.2.3 и 2.2.4). Каждая инструментальная система в достаточной степени удовлетворяет требованиям, которые необходимы для эксплуатации высокоавтоматизированного технологического оборудования с ЧПУ. Инструментальные системы, приведенные на рис. 2.2.3 и 2.2.4, позволяют оператору-наладчику или в автоматическом режиме рукой-манипулятором осуществить быструю переналадку и обеспечить высокую степень повторяемости координаты режущей кромки при смене инструментальной наладки. Перед установкой в инструментальный магазин или головку, расположенные на станке с ЧПУ, осуществляют предварительную сборку инструмента 1 с державкой 2 и настройку координаты режущей кромки относительно «реперной» точки О на размер по осям х и z (рис. 2.2.5).

Рис. 2.2.5. Схема настройки координаты режущей кромки

Содержание