Глава IV

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какие принципы положены в основу классификации металлорежущих станков?

2. Назовите группы металлорежущих стан­ков.

3. Что называют приводом металлорежу­щего станка?

4. Что понимают под кинематической схе­мой станка?

5. Какие механизмы применяют в станках для осуществления бесступенчатого регулиро­вания частоты вращения шпинделя?

1. АВТОМАТИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

Автоматизация представляет собой со­вокупность мероприятий по разработке, созданию и применению средств и систем управления, освобождающих рабочего частично или полностью от непосредст­венного участия в процессе обработки заготовок, что позволяет существенно по­высить производительность труда и каче­ство выпускаемой продукции.

Работа автоматического устройства ха­рактеризуется цикличностью. Время каж­дого цикла слагается из рабочего и вспо­могательного времени. Основное условие работы автоматической машины -выпол­нение элементов цикла без вмешательства человека. В металлорежущих станках ав­томатизируют включение и выключение подач, быстрые подводы и отводы частей станков, загрузку заготовок и т.д. Универ­сальные автоматы и полуавтоматы обес­печивают высокую производительность труда путем максимального совмещения всех вспомогательных и рабочих движе­ний.

Совершенствование органов управле­ния рабочих машин способствует созда­нию и дальнейшему развитию станков, осуществляющих все движения по специ­альной программе - станков с програм-

мным управлением (ПУ). Эти станки от­личаются быстрой переналадкой на изго­товление другой детали, большим числом команд управляющего органа станка. Станки с ПУ служат базой для создания многоцелевых станков, имеющих набор большого числа инструментов, располо­женных в специальном устройстве - мага­зине. Автоматическая рука поочередно устанавливает их в рабочий шпиндель для последующей обработки.

Технологическое оборудование можно компоновать в автоматические линии, т.е. создавать систему автоматов, объединен­ных средствами транспортирования и управления. Большое развитие получают автоматические линии, состоящие из агре­гатных станков. Такие линии создают для обработки вполне определенных деталей, например корпусов для механизмов авто­мобилей, тракторов. Автоматические ли­нии можно далее объединять в более сложные системы, например цехи, кото­рые образуют автоматические заводы. Станки с ПУ также можно объединять в автоматические линии, которые обслужи­ваются ЭВМ.

Создание станков-автоматов непрерыв­ного действия позволяет в наибольшей степени повысить производительность труда. Это достигается совмещением вре­мен рабочих и вспомогательных движений

336

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

при одновременной обработке нескольких заготовок. Такие станки могут быть ском­понованы в автоматические линии непре­рывного действия. При автоматизации производства процесс изготовления дета­ли можно расчленить на отдельные опера­ции, каждую из которых поручают авто­матическому устройству в виде механизма или станка (принцип дифференциации). Все механизмы или станки работают од­новременно. Вместе с тем эти устройства можно объединить в автоматически дей­ствующие комплексы (принцип концен­трации), представляющие собой станки, линии, цехи или заводы.

2. АВТОМАТЫ С ЖЕСТКИМИ КИНЕМАТИЧЕСКИМИ СВЯЗЯМИ

Автоматами называют станки, на кото­рых все основные и вспомогательные движения осуществляются без участия оператора. Автоматы работают по перио­дически повторяющемуся циклу. В цикл входят установка и закрепление заготовки на станке, обработка ее поверхностей, съем обработанной детали, выдача и за­крепление следующей заготовки.

Полуавтоматы - это рабочие машины, которые работают по автоматическому циклу, для повторения которого требуется вмешательство рабочего (чаще всего для снятия детали и установки заготовки). Автоматы и полуавтоматы целесообразно применять в серийном и массовом произ­водствах.

В работу универсальных автоматов за­ложены определенные принципы обра­ботки заготовок: одинарный - в обработке каждой заготовки участвует только один режущий инструмент; параллельный - в обработке каждой заготовки участвуют несколько инструментов, работающих одновременно; последовательный - в об­работке каждой заготовки участвуют не­сколько инструментов, вступающих в ра­боту последовательно, один за другим; параллельно-последовательный - в обра­ботке каждой заготовки участвуют не-

сколько групп инструментов, причем ин­струменты одной группы работают парал­лельно, а инструменты нескольких групп -последовательно; ротационный - в обра­ботке каждой заготовки участвует один инструмент или группа инструментов при одновременном ротационном вращатель­ном движении заготовок и инструментов; непрерывный - в обработке каждой заго­товки участвует один инструмент или не­сколько инструментов при непрерывной подаче заготовок.

Циклом работы автоматов и полуавто­матов управляют распределительные ва­лы, на которых установлены дисковые или барабанные кулачки, управляющие рабо­той всех механизмов.

Процесс изготовления деталей на уни­версальных автоматах пол зстью опреде­ляется профилем и взаю ^ым расположе­нием кулачков, предг лляющих собой программоносители, закрепленные на распределительном валу в ориентирован­ном по отношению друг к другу положе­нии. Все действия рабочих органов авто­матов происходят в полном соответствии с циклом его работы. Универсальность автоматов состоит в возможности изго­товления очень большого числа различ­ных деталей в определенных диапазонах размеров.

Рабочий цикл автомата соответствует одному обороту распределительного вала. Частота вращения распределительного вала изменяется с помощью органов на­стройки, например гитары сменных зубча­тых колес (гитара - устройство для уста­новки и закрепления зубчатых колес).

По описанной схеме могут работать автоматы различного технологического назначения, в частности большинство ме­таллорежущих автоматов. Они сравни­тельно просты и надежны в работе. Вме­сте с тем такие автоматы не реагируют на изменение качества деталей в ходе обра­ботки.

Для увеличения производительности применяют многошпиндельные автоматы. При этом обработка заготовок происходит одновременно в нескольких позициях.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА В ЦЕХАХ С МЕТАЛЛОРЕЖУЩИМ ОБОРУДОВАНИЕМ 337

3. АВТОМАТИЗАЦИЯ НА БАЗЕ СТАНКОВ С ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Основное преимущество станков с программным управлением состоит в со­кращении времени обработки, простоте переналадки и возможности использова­ния в цехах, где наблюдается быстрая смена объектов производства. Металло­режущие станки оснащают цикловым (ЦПУ) и числовым (ЧПУ) программным управлением. Станки с ЦПУ имеют пози­ционную систему управления с панелями упоров, отключающих движение подачи суппорта или ползуна. Такую систему ис­пользуют, например, для обработки заго­товок типа ступенчатых валов. Программа задается расстановкой специальных стер­жней-штекеров в гнездах панели, распо­ложенной на отдельном пульте системы ПУ, что дает возможность запрограмми­ровать несколько различных этапов обра­ботки,

Станки с ЦПУ достаточно просты и относительно дешевы. Однако переналад­ка их трудоемка. Изменение программы требует перестановки большого числа упоров и штекеров в новые положения. Для расширения технологических воз­можностей станков используют системы ЧПУ.

Обработка на станках с программным управлением имеет целый ряд преиму­ществ. Так, значительно сокращается объ­ем разметочных работ, повышается произ­водительность труда за счет автоматиза­ции цикла обработки, существенно повы­шается точность обработки, становится возможным многостаночное обслужива­ние, снижаются затраты на приспособле­ния, контрольно-измерительные устройст­ва, кулачки, сокращаются производствен­ные площади цехов.

Вместе с этим станки с программным управлением в 1,5 ... 10 раз дороже обыч­ных станков, уступают по надежности автоматическим станкам с жесткими ки­нематическими связями, требуют специ-

ального обслуживания технологами и ра­ционально используются при загрузке в две смены.

Программа действий органов станка задается с помощью чисел в закодирован­ном виде на программоносителе - перфо­рированной или магнитной ленте. Система управления имеет интерполятор - вычис­лительное устройство, которое преобразу­ет кодовую запись на перфоленте в ко­мандные импульсы. Такие импульсы по­даются специальным шаговым двигателем для теремещения органов станка по коор-ди дтным осям. При ЧПУ на перфориро-f иной ленте может быть зафиксировано .фактически неограниченное число ко­манд.

У станка с шаговыми двигателями (рис. 6.21) для перемещения стола по двум координатам перфорированная лента (с отверстиями) / перемещается специ­альным механизмом. Лента выполнена из плотной бумаги или пластмассы. Распо­ложение отверстий на дорожках ленты соответствует импульсам, передаваемым органам станка (столу, шпинделю). Ин­формацию программоносителя восприни­мает считывающее устройство 2. Нижний и верхний (шарик) контакты могут замк­нуться и дать импульс только тогда, когда между ними окажется отверстие ленты. Информация считьгаается с каждой ее до­рожки. Распределители импульсов 3 пере­дают их в усилители 4. Импульсы тока необходимой величины поступают в ша­говые электродвигатели 5. При этом каж­дому импульсу соответствует определен­ный угол поворота вала электродвигателя. Если подавать на электродвигатель энер­гию в дискретной форме (в соответствии с расположением отверстий на ленте), то в итоге его вал повернется на заданную ве­личину. Связанные с электродвигателями ходовые винты 6 и 7 обеспечивают подачу стола 8 вдоль координатных осей хну. Величины перемещений зависят от числа переданных импульсов, а скорость - от частоты импульсов.

338

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Рис. 6.21. Схема станка с шаговыми двигате­лями

Предположим, что необходимо обрабо­тать криволинейный профиль 9 фрезой 10. Траектория движения фрезы показана штриховой линией. Сложное движение по кривой заменяют прямолинейными дви­жениями вдоль осей координат на величи­ны Дх и Ду, что выполнить сравнительно просто. Для этого на ходовые винты стола поочередно подают необходимые импуль­сы. Криволинейный профиль заменяется ломаной линией с большим числом опор­ных точек а, Ъ и т.д. Фактическое движе­ние инструмента оказывается ступенча­тым. Однако величины "ступенек" так малы, что перемещение инструмента меж­ду двумя соседними опорными точками можно рассматривать как плавное. Им­пульсы для перемещений частей совре­менных станков лежат в пределах 0,001 ... 0,05 мм.

На рис. 6.22 показана кинематическая схема вертикально-фрезерного станка с ЧПУ мод. 6Р13ФЗ. Механизм главного

движения станка представляет собой обычную коробку скоростей, в которой 18 частот вращений шпинделя создаются переключением двух тройных и одного двойного блоков: 19-22-16; 37-46-26 и 82-19. Источником движения служит электродвигатель Ml (N = 7,5 кВт, п = 1450 об/мин). Диапазон частот враще­ния шпинделя 40 ... 2000 об/мин. Меха­низм движения подачи станка обеспечива­ет перемещение заготовки, установленной на столе, в . iyx взаимно перпендикуляр­ных направле. ^тях - продольном и попе­речном. Шпиндель станка вместе с ползу­ном перемещается в вертикальной плоско­сти. Эти три движения осуществляются с помощью трех исполнительных механиз­мов. Каждый из них состоит из электро­двигателей М2, МЗ, М4, которые управ­ляют гидродвигателями Г2, ГЗ, Г4. Гидро­двигатели приводят в движение рабочие органы станка - стол и ползун через зуб­чатые колеса и шариковые винтовые пары 2, 3, 4. Каждому импульсу, поступающему от системы ЧПУ соответствует перемеще­ние ползуна со шпинделем на столе на 0,01 мм, скорость движения подачи со­ставляет 20 ... 6000 мм/мин.

Консоль станка со столом и салазками имеет установочное вертикальное пере­мещение от гидродвигателя Г1, через пару конических колес 18/72 и винтовую пару 1.

Программа работы станка записывает­ся на перфорированной ленте.

Следующее звено автоматизации - ос­нащение станков с ЧПУ устройствами (магазинами) для размещения и автомати­ческой замены инструмента. Это позволя­ет последовательно выполнять большое число разных этапов обработки, осущест­вляемых различными режущими инстру­ментами без снятия заготовки со станка. В магазинах можно разместить до 300 ин­струментов. Режущий инструмент по ко­манде от программы подается в рабочее положение в любой последовательности с помощью специальной автоматической руки. Все это позволяет обрабатывать,

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА В ЦЕХАХ С МЕТАЛЛОРЕЖУЩИМ ОБОРУДОВАНИЕМ 339

J2

=§ё*4Ь@=@

МО мм \ —.52 '—|

а-

18

_т^>

16 26

Рис. 6.22. Кинематическая схема фрезерного станка мод. 6Р13ФЗ

например, сложные корпусные детали с четырех-пяти сторон. Такие станки назы­вают многоцелевыми. На них можно про­водить сверление, зенкерование, развер­тывание, растачивание, нарезание резьбы, фрезерование. Поэтому система про­граммного управления позволяет превра­тить заготовку (не снимая ее со станка для проведения других операций) в готовую деталь. Система управления обеспечивает необходимое изменение частот вращения шпинделя, подачи, вспомогательных дви­жений; подачу смазывающе-охлаждаю-щих жидкостей, контроль и ряд других команд.

Рассмотрим общую компоновку одно­го из таких многоцелевых станков (рис. 6.23). Заготовка в виде корпусной детали устанавливается и закрепляется на столе 8, после чего перемещается по стрелке А (в направлении х) в рабочую позицию б. Шпиндельная бабка 2 станка перемещается по направляющим станины в направлении z. Автоматическая рука 4, делая сложные пространственные движе­ния, переносит из цепного магазина 3 со­ответствующий режущий инструмент и устанавливает его в шпиндель /. В ходе обработки корпусной детали устройство программного управления 5 обеспечивает

340

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Рис. 6.23. Многооперационный станок

координатное перемещение элементов станка по осям х, у, z, поворот вокруг вер­тикальной оси стола в позиции 6 на необ­ходимый угол; выбор и смену режущего инструмента. Обработанная с четырех сторон заготовка передвигается по стрел­ке В по направляющим 7 на позицию 9.

В то время пока в позиции 6 произво­дилась обработка, в позиции 8 на другом столе закрепляли вторую заготовку, кото­рая по стрелке А также передается в пози­цию обработки. Готовая деталь с позиции 9 передается по стрелке С в позицию стола 8, ее снимают со стола, а на ее место уста­навливают следующую заготовку. Вспо-

могательные движения максимально со­вмещены. Во время обработки заготовки магазин 3 перемещается, и в районе дей­ствия руки 4 оказывается нужный инстру­мент. На его смену расходуется несколько секунд.

В настоящее время имеется много дру­гих компоновок многоцелевых станков. Обработка на таких станках обеспечивает повышенную точность, так как установка каждого органа станка (столы, ползуны, шпиндели и др.) в рабочее положение про­изводится с высокой точностью позициони­рования - от ±0,01 до ± 0,002 мм. Точность же обработки лежит в пределах до ±0,01 мм.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА В ЦЕХАХ С МЕТАЛЛОРЕЖУЩИМ ОБОРУДОВАНИЕМ 341

_{1 А}

ш а а в ат

/ 2 3

DDDDDD DDDDDD

»—i а сЗ~

_пппопп

ш

Рис. 6.24. Схемы автоматических линий

б)

Конструктор, проектирующий деталь, которая должна обрабатываться на много­целевом станке, должен особо позаботить­ся об удобствах обработки, учитывая спе­цифические условия выполнения работы всеми инструментами, возможности удоб­ного закрепления заготовок, проработать вопросы обеспечения точности и др. Обычные чертежи деталей должны быть преобразованы технологом в чертежи дру­гого вида для последующего создания карт программирования на основе правил расчета координат. В настоящее время программы для ряда станков с програм­мным управлением в основном готовятся с помощью ЭВМ. Эффективность исполь­зования многооперационных станков воз­растает с увеличением сложности обраба­тываемых заготовок.

Системы ЧПУ постоянно развиваются. Одно из направлений развития предусмат­ривает централизованную систему, в ко­торой одна большая ЭВМ управляет груп­пой станков. Другое направление связано с работой отдельных станков с ЧПУ, но под контролем большой ЭВМ. Особым преимуществом таких систем является возможность расположения крупных ЭВМ

на большом расстоянии от обслуживае­мых станков, в том числе в других горо­дах. Команды управления передаются при этом по обычным линиям. Система управ­ления единичными станками упрощается, так как индивидуальные программоноси­тели находятся в памяти больших ЭВМ.

4. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ

Автоматическая линия - это система автоматически действующих станков, свя­занных транспортирующими средствами и имеющая единое управляющее устройст­во. Часто линии изготовляют для обработ­ки вполне определенных деталей, напри­мер картеров коробок скоростей автомо­биля. Однако, если конструкция детали изменится, данная линия окажется непри­годной для дальнейшего использования. Чтобы этого не случилось, используют принцип агрегатирования. При этом ли­нию компонуют из стандартизованных элементов. Новая конструкция обрабаты­ваемой детали приведет к новой компо­новке линии из элементов, использован­ных ранее. Стандартизованными являются столы, шпиндельные силовые головки,

342

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

кронштейны, приводы перемещений ос­новных органов станков, управляющая аппаратура и др. Стоимость и сроки соз­дания новых компоновок существенно сокращаются.

В состав автоматической линии для механической обработки заготовок опре­деленного вида входят следующие обору­дование и устройства.

1. Металлорежущие станки - автоматы и агрегаты для выполнения технологиче­ских операций.

2. Механизмы для закрепления загото­вок на рабочих позициях и их возможного поворота.

3. Устройства для транспортирования заготовок от станка к станку, удаления стружки и др.

4. Приборы и аппаратура для контроля и сортировки деталей, а также для управ­ления.

Автоматические линии можно разде­лить на синхронные и несинхронные. В синхронных линиях (рис. 6.24, а) заго­товки 1 передаются непосредственно от одного станка 2 к другому с помощью транспортного устройства. Это устройство перемещает одновременно все заготовки на шаг /. Станки в линии устанавливают так, чтобы можно было одновременно обрабатывать заготовки с двух сторон. Поворотный стол 3 позволяет последова­тельно поворачивать заготовки на 90° для того, чтобы на втором участке линии об­рабатывать другие стороны.

В несинхронных линиях (рис. 6.24, б) используют магазины-накопители 4. Их устанавливают между отдельными участ­ками станков. Если, например, участок II вышел из строя, то участок III продолжает работать, потребляя заготовки из накопи­теля. В свою очередь, продолжает рабо­тать и участок /. Заготовки 2, обработан­ные на станках 1, поступают в позицию 3 и оттуда в накопитель по штриховой стрелке А. Такие линии более производи­тельны, так как простои их значительно сокращены.

Чтобы можно было расширить техно­логические возможности линии и изготов­лять на них детали, схожие по форме и размерам, линия должна быть перенала­живаемой. Управление работой линии может осуществляться с помощью систе­мы ЧПУ. Автоматические линии могут управляться непосредственно ЭВМ, кото­рые обеспечивают более широкий круг выполняемых работ, нежели в линиях, описанных выше.

Автоматические линии обладают вы­сокой производительностью. Появились комплексы, на которых обработка загото­вок осуществляется при их непрерывном движении от начала до конца линии. По своей сущности такие автоматические системы наиболее совершенны.

5. ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ

Современные средства автоматизации, которыми оснащены автоматические ли­нии, цехи и заводы, имеют существенный недостаток - они могут быть рационально использованы в массовом производстве. Однако наиболее распространенным ти­пом производства является серийный. Возможность быстрого переналаживания оборудования в условиях серийного про­изводства при изготовлении даже неболь­ших партий заготовок обеспечивают гиб­кие производственные системы (ГПС). ГПС организуется на базе оборудования, управляемого ЭВМ с помощью программ. Смена программ осуществляется доста­точно просто и быстро, при этом оборудо­вание быстро переналаживается на изго­товление другой детали. Использование ЭВМ позволяет осуществлять очень сложные способы управления. Кроме из­менения движения рабочих органов ма­шина может обучаться, поднастраиваться в процессе работы, определенным образом реагировать на различные внешние воз­мущения.

ГПС состоит, как правило, из двух сис­тем: исполнительной и управляющей. Ис-

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА В ЦЕХАХ С МЕТАЛЛОРЕЖУЩИМ ОБОРУДОВАНИЕМ 343

полнительная система включает металло­режущие станки с ЧПУ, различные техно­логические установки, группу роботов, обслуживающих станки и установки, кон­трольно-измерительные устройства для транспортирования заготовок, деталей и удаления отходов производства. Особое место отводится складированию. Склады, работая в автоматическом режиме, обес­печивают выдачу заготовок для обработ­ки, хранение, прием готовых деталей, учет их, а также хранение, выдачу и прием ре­жущих инструментов. ГПС может вклю­чать станки различного назначения, моеч­ные установки, посты сборки, контроля, штабелеры и др.

Единая управляющая система пред­ставляет собой совокупность средств вы­числительной техники. Система состоит из специальных устройств передачи ин­формации, линии передачи информации и совокупности программ, которые управ­ляют как отдельными станками и техноло­гическими установками, так и всем произ­водством в целом.

Чаще всего ГПС создают для изготов­ления деталей типа тел вращения или кор­пусных деталей. На рис. 6.25 схематично представлена ГПС для изготовления ста­торов электродвигателей различных раз­меров. Автоматизированная система со­стоит из шести многоцелевых станков: 1, 2, 4 и 7-9. Каждый из станков может об­рабатывать заготовку от начала и до конца или выполнять только часть технологиче­ских операций. Заготовки автоматически передаются из склада 11 на роликовый конвейер 10 и по нему - к соответствую­щему станку. Установку заготовок на ста­нок осуществляет робот 5, размещенный на тележке, перемещающейся по рельсам. По соответствующей команде робот мо­жет оказаться у любого из станков. Тот же робот снимает со станка готовую деталь и помещает ее на конвейер для последую­щей передачи на склад //. Отходы произ­водства в виде стружки постоянно пере-

даются в емкость 6 для последующего удаления из цеха. Отдельными звеньями этой автоматизированной системы, равно как и всем производством, управляет цен­тральная ЭВМ 3. Переналадка отдельных станков и всей системы проводится за очень короткое время сменой программ, режущих инструментов и некоторых при­способлений.

ГПС функционирует на основе мало­людной технологии. Непосредственного участия в производственном процессе че­ловек не принимает, а выполняет работу по обслуживанию ГПС, ремонту оборудо­вания и наблюдению за ним. ГПС успеш­но работает лишь тогда, когда все элемен­ты в отдельности и в целом обладают вы­сокой надежностью.

В ГПС особая роль отводится ро­ботизированным устройствам. Они произ­водят самые разнообразные вспомога­тельные работы. В ходе обслуживания складов роботы, действуя по программе, могут перемещаться так, что вынимают из заданной ячейки склада необходимое ко­личество объектов для последующей их передачи на производство. Роботы могут перемещаться и по рельсам, и по гладкому полу цеха. В последнем случае траектория перемещения тележки с роботом может задаваться управляющим программным устройством, расположенным на самой тележке.

Если многооперационный станок, об­служивающий ГПС, имеет сменный инст­рументальный магазин, то робот может заменить магазин с затупившимся инст­рументом новым. На некоторых производ­ствах вместо инструментальных магази­нов робот периодически ставит на станок головку в виде корпусов с несколькими режущими инструментами, которые рас­положены друг относительно друга так, как этого требует конфигурация обраба­тываемой детали. Все инструменты рабо­тают одновременно. В этом случае специ­альное устройство устанавливает в рабо­чую позицию поочередно не обособлен­ные инструменты, а головки с инструмен­тами.

Рис. 6.25. Схема цеха для гибкого производства статоров электродвигателей

ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА СТАНКАХ ТОКАРНОЙ ГРУППЫ

345

Обработка заготовок на станках токарной группы