Металлообработка.. Станки Лобанов. 1 Общие сведения о металлорежущих станках 1 Назначение и структура металлорежущих станков
 Скачать 77.45 Kb.
|
9 Агрегатные станкиСпециальный станок, построенный для обработки какого-либо изделия, рентабелен при условии такой продолжительности его эксплуатации, в течение которой окупятся все расходы, связанные с его изготовлением. Быстрое развитие техники часто нарушает всё предварительные расчеты, и изделия, которые рассчитывали производить в течение нескольких лет иногда снимаются с производства через короткий срок. Специальные станки снимаются вследствие этого с производства в некоторых случаях задолго до истечения срока их амортизации. Это обстоятельство побудило станкостроителей искать новые пути создания специальных станков, в особенности для крупносерийного и массового производства. Очень удачным решением вопроса оказалось изготовление агрегатных станков. Агрегатными называются специальные станки, собранные в основном из стандартных и унифицированных узлов и деталей. Имея высокую производительность, агрегатные станки могут перестраиваться на выпуск нового изделия, что соответствует тенденции современного машиностроения к частой смене выпускаемых изделий. При изготовлении станков из агрегатных узлов обеспечивается: а) быстрота проектирования и изготовления станков; б) упрощение монтажа и демонтажа станков; в) снижение себестоимости станков, поскольку производство стандартных деталей и узлов может быть серийным; г) упрощение и удешевление ремонта станков. Весьма часто автоматические линии компонуются из агрегатных узлов и станков, что позволяет уменьшить время их изготовления. На агрегатных станках осуществляют многоинструментную обработку деталей сверлильно-расточным, резьбонарезным, фрезерным, токарным, шлифовальным и другими инструментами. Чаще встречаются станки, производящие сверлильные, резьбонарезные и расточные операции. 10 Станки с ЧПУ. Обрабатывающие центры Станки и станочные комплексы с числовым программным управлением (ЧПУ) обеспечивают автоматизацию серийного производства и сочетают в себе производительность и точность станков-автоматов и гибкость универсального оборудования. 10.1 Эффективность перехода к станкам с ЧПУ В условиях мелкосерийного и серийного производства, характеризующегося частой сменой изготовляемых изделий, выпускается до 75 % продукции. В связи с этим в таких условиях особо актуальным становится обеспечение комплексной автоматизации производственных процессов, стремление к чему является основной тенденцией развития промышленного производства. Под понятием "Комплексная автоматизация" подразумевается: совершенствование средств реализации технологических процессов, автоматизация подготовки и управления производством, обеспечение повышенной гибкости производственных систем, т.е. возможности быстрой переналадки при смене объекта обработки. Последнее весьма важно для мелкосерийного и серийного производства. Внедрение станков с ЧПУ было первым этапом на пути автоматизации мелкосерийного и серийного производства и дало возможность повысить производительность за счет значительного сокращения времени протекания технологических процессов. Начало промышленного применения станков с ЧПУ относится к 1957-1960 гг. Первоначально станки с программным управлением пришли на смену копировально-фрезерным станкам при обработке фасонных поверхностей. По мере усовершенствования системы ЧПУ стали применять в других группах станков – токарных, сверлильных, расточных, шлифовальных. Применение станков с ЧПУ позволило получить значительный экономический эффект и высвободить большое число универсального оборудования. Эффективность станков с ЧПУ характеризуется ростом производительности; значительным числом заменяемых универсальных станков; сокращением сроков подготовки производства и технологической оснастки; уменьшением брака; сокращением или полной ликвидацией разметочных и слесарно-пригоночных работ и т.д. Важные аспекты эффективности использования станков с ЧПУ – значительное уменьшение доли тяжелого ручного труда рабочих, сокращение потребности в квалифицированных станочниках-универсалах, изменение состава работников металлообрабатывающих цехов. При этом возросло значение труда инженеров и техников по наладке станков и их ремонту, по составлению программ, кодированию, проектированию технологических процессов, разработке математического обеспечения для процессорных систем ЧПУ. Переход к использованию ЧПУ не только изменил характер организации производства в металлообрабатывающих цехах, но коренным образом повлиял на конструкцию самих станков. Изменился принцип построения кинематических схем и компоновок станков с ЧПУ. Длинные, разветвленные кинематические связи уступили место элементарно простым, с автономными приводами по каждой координате перемещения. Более полно и эффективно стали использоваться агрегатирование и унификация. Опыт использования станков с ЧПУ показал, что эффективность их применения возрастает при повышении точности, усложнении условий обработки, при необходимости в процессе обработки взаимного перемещения детали и инструмента по пяти-шести координатам, при многоинструментной и многооперационной обработке деталей с одного установа. Современное серийное производство характеризуется расширением и частным изменением номенклатуры выпускаемых изделий при повышении требований к качеству продукции. Это требует, чтобы применяемые станки имели высокую производительность обработки, точность, надёжность, универсальность. Следствием этого является увеличение выпуска гибких, т.е. легко переналаживаемых, высокоавтоматизированных станков, позволяющих производить многие виды обработки при одной установке детали, так называемых многооперационных или многоцелевых станков, или обрабатывающих центров (ОЦ). ОЦ – это станки с ЧПУ и устройствами для автоматической смены инструмента. Очень большие перспективы для резкого повышения производительности и эффективности, в первую очередь, в серийном производстве имеет создание гибких автоматизированных станочных систем, состоящих из обрабатывающих центров и других станков с ЧПУ, связанных транспортно-накопительной системой и управляемых ЭВМ. На основе создания таких систем решается проблема обеспечения круглосуточной работы оборудования. При этом открываются возможности обеспечения работы производственного персонала, подготавливающего работу производственной системы, главным образом в первую, наиболее продуктивную, смену; во вторую и третью смены работает малочисленный штат дежурных. 10.2 Особенности устройства станков с ЧПУ Переход в станках к ЧПУ выявил возможность принципиального изменения конструкции собственно станка. К таким изменениям относятся: - полная автономность кинематических цепей приводов перемещений всех рабочих органов станка, при этом связь между перемещениями по координатам осуществляется только через программу; - упрощение кинематических схем приводов подач; - простое осуществление через числовую программу сложного во времени и точного по положению взаимодействия практически неограниченного числа координат перемещений и вспомогательных механизмов; - введение автоматической смены инструментов, шпиндельных коробок, обрабатываемых заготовок; - простое построение станка по компоновке, обеспечивающей наиболее рациональное (по производительности, стоимости и т.п.) его использование при обработке данного класса деталей на основе использования нормализованных узлов и конструктивных модулей. Для станков с ЧПУ регламентированы международным стандартом ISO-R841 направления осей координат и поворотов вокруг них, а также соответствующая символика. За основу принята определяемая по т.н. правилу правой руки система координат X, Y, Z (рис. 10.1,а,б), оси которой указывают положительные направления перемещения режущих инструментов относительно неподвижной детали. За положительное направление перемещения принято считать такое, при котором инструмент отходит от заготовки. Ось Х всегда располагают горизонтально, а ось Z совмещают с осью вращения шпинделя. Т.о. исходной осью (Z) является ось рабочего шпинделя. Если эта ось поворотная, её положение определяют перпендикулярно плоскости крепления детали. Положительное направление оси Z – от устройства крепления детали к инструменту.Дси X, Y, Z располагаются ближе к шпинделю, их называют первичными. Вторичные оси обозначают буквами U, V, W (эти оси параллельны первичным), третичные – Р, Q, R. Углы поворота вокруг первичных осей обозначаются буквами А, В, С (соответственно для поворота вокруг осей X, Y, Z), дополнительные углы поворота – буквами D и Е. Положительным направлением считается вращение по часовой стрелке при взгляде вдоль положительного направления соответствующей оси. При перемещении детали (а не инструмента) положительные значения изменяют направление, а оси обозначают буквами X', Y', Z' и т.д. На рис. 10.1,в,г показаны системы координат для станков с вертикальной и горизонтальной осью шпинделя соответственно. 10.3 Приводы подач станков с ЧПУ В станках с ЧПУ применяются приводы с разомкнутой системой управления (с шаговыми двигателями) и с замкнутой СУ (следящие). Шаговые приводы подачи строятся с применением силового шагового электродвигателя. При применении шагового привода точность перемещения рабочих органов станка будет определяться погрешностью отработки ШД командных импульсов, а также зазорами и упругими деформациями кинематической цепи подачи. Частота подаваемых на ШД импульсов определяет угловую скорость вращения ротора, а их число – угол поворота. Единичный угол поворота ротора при подаче одного управляющего импульса обычно равен 1,5°±0,5°, но может быть 0,5°-10°. Ошибка в шаге хотя и может достигать 30%, но при работе ШД она не накапливается. Следящие приводы подачи состоят из электродвигателя, зубчатой передачи или редуктора для снижения частоты вращения и увеличения крутящего момента на ходовом винте, передачи винт-гайка и системы обратной связи по скорости (с датчиком скорости ДС, например, тахогенератором) и по положению рабочего органа станка (с датчиком положения /пути/ ДП или, иначе, обратной связи ДОС). Эффективность работы следящего привода в значительной степени зависит от свойств электродвигателя, погрешностей механизмов кинематической цепи, потерь на трение в направляющих рабочего органа и в передаче винт – гайка, а также от датчиков обратной связи. Датчики положения могут устанавливаться на различных элементах привода. Однако чем далее от рабочего органа они устанавливаются, тем ниже точность позиционирования из-за погрешностей, возникающих в кинематической цепи. Поэтому в приводах стремятся исключать или максимально упрощать шестеренные редукторы, исключать в передачах зазоры, обеспечивать уменьшение упругих деформаций. В этой связи в приводах используются шариковые винтовые пары, прецизионные шестеренные пары с автоматической выборкой люфта, принимаются конструктивные и технологические меры для повышения жёсткости элементов кинематической цепи и т.д. Большие потери на трение в направляющих приводят к увеличению упругих деформаций в передаточных механизмах привода подачи, а также к неравномерному перемещению рабочего органа на малых скоростях за счёт так называемых релаксационных колебаний. Для снижения потерь на трение в направляющих станков с ЧПУ применяют обычные направляющие с антифрикционным покрытием, а также гидростатические направляющие и направляющие качения. В следящих приводах применяются асинхронные или синхронные электродвигатели переменного тока или шаговые двигатели с встроенными датчиками обратной связи. Когда приводной двигатель не может быть соединён непосредственно с ходовым винтом, вращение на последний передаётся через беззазорные зубчатые передачи и редукторы или ремённо-зубчатые передачи. Для преобразования вращательного движения приводного двигателя в поступательное перемещение рабочих органов в станках с ЧПУ применяют шариковые винтовые пары (ШВП) или винтовые пары качения. Применение обычных винтовых пар скольжения в приводах точных перемещений столов и суппортов с частыми изменениями направления движения, какими являются приводы подач станков с ЧПУ, не всегда обеспечивает требуемую точность из-за зазоров в такой паре. Кроме того, потери на трение в винтовой паре скольжения достаточно велики. В ШВП (рис. 10.2) шарики катятся по канавкам ходового винта и гайки. Для обеспечения чистого качения шарики постоянно циркулируют, попадая при движении винта в специальный жёлоб, который направляет их к другому концу гайки. В ШВП создают с помощью пружин (см. рис. 10.2) либо за счёт применения шариков большего размера, чем номинальный, предварительный натяг, который повышает точность и жёсткость передачи, но увеличивает нагрузку в механизме. 10.4 Датчики обратной связи Датчики обратной связи(ДОС) предназначены для преобразования линейных перемещений рабочего органа станка в электрический сигнал, содержащий информацию о величине и направлении этих перемещений. По конструктивному исполнению ДОС могут быть круговые и линейные. Круговые ДОС обычно измеряют угол поворота ходового винта или перемещение рабочего органа станка через реечную передачу. Преимуществом кругового ДОС является независимость его габаритных размеров от величины измеряемого перемещения, удобство установки на станке, удобство в эксплуатации. Недостатком круговых ДОС является косвенное (через угол поворота ходового винта) измерение величины перемещения рабочего органа. Линейные ДОС осуществляют непосредственное измерение перемещения рабочего органа станка, что является их основным преимуществом по сравнению с круговыми ДОС. Недостатками линейных ДОС является зависимость их габаритных размеров (длины линейки) от измеряемой величины хода рабочего органа, большая сложность при установке на станке и при эксплуатации. Фотоэлектрические датчики перемещений – круговые (рис. 10.3) и линейные (рис. 10.4) – состоят из механической, оптической и электронной систем. В таких датчиках световой поток, идущий от осветителя 1 через линзу 2, шкалу линейную (см. рис. 10.5) или круговую (кодовый диск – см. рис. 10.6) и съёмник 6 с определённым образом расположенными растровыми штрихами, попадает на фотодиоды 4. На рис. 10.4 показан кодовый диск кругового фотоэлектрического датчика на десять двоичных разрядов. Каждое концентричное кольцо стеклянного диска состоит из затемнённых и прозрачных участков, которые не пропускают или пропускают свет на фотодиоды. Кольца соответствуют определённым размерам: наружное кольцо – первому разряду, следующее кольцо – второму разряду и т.д. Кодовый диск устанавливают на станке так, чтобы его полный оборот соответствовал перемещению рабочего органа станка на максимальную величину. При этом каждому положению рабочего органа будет соответствовать единственная кодовая комбинация на диске, выдаваемая в систему управления фотодиодами. Линейка 3 линейного фотоэлектрического датчика (см. рис. 10.4) имеет основную шкалу и дополнительную (поз. 5 на рисунке) для считывания нуль-метки. В системах ЧПУ применяются и другие датчики обратной связи. 10.5 Накопители инструментов и обрабатываемых заготовок 1ОЦ имеют накопители инструментов и устройства для автоматической смены последних. Системы для хранения и смены инструментов на ОЦ в зависимости от исполнения накопителей можно разбить на следующие три основные группы (рис. 10.6): а) накопителем служит револьверная инструментальная головка, в гнёздах которой располагаются инструменты; один из них находится в рабочем положении и приводится в движение, остальные шпиндели неподвижны. Число инструментов в револьверной головке невелико (8, 10, 12), однако смена инструмента при работе станка занимает мало времени (до нескольких /1-2/ секунд). Рисунок 10.6 – Накопители инструментов Головки могут быть лучевыми (радиальными), барабанными (аксиальными), коническими (с расположением инструментов под углом). Револьверные головки обычно используются в ОЦ, построенных на базе токарных и сверлильных станков. Для расширения технологических возможностей ОЦ токарного типа их нередко снабжают несколькими револьверными головками с независимыми приводами; б) накопителем служит магазин (инструментальный магазин) или несколько магазинов, из которых берётся инструмент и ставится в рабочий шпиндель станка. Смена инструментов в этом случае усложняется и увеличивается время процесса (до 16-20 секунд), но ёмкость магазинов больше, чем головок – 30-80, иногда 100, 120 и более инструментов (до 180). Чаще используют накопители поворотные барабанного типа и цепные. Смена инструментов может осуществляться манипулятором, который захватывает инструмент из накопителя и передает его по назначению. В ряде конструкций ОЦ смена инструмента производится без манипулятора за счёт перемещения магазина или при неподвижном магазине за счёт перемещения стойки и шпинделя. Такие решения упрощают конструкцию устройства и позволяют сократить вспомогательное время. Реже встречаются стеллажные магазины, устанавливаемые на столе станка и представляющие собой плиту с несколькими параллельными рядами гнезд под инструменты; в) накопителями служат револьверная головка и магазин (комбинированные накопители). На нижней части рис. 10.6 показан возможный вариант такого накопителя, включающего магазин и двухпозиционную револьверную головку. В этом случае при работе очередного инструмента, находящегося в рабочем шпинделе револьверной головки, производится автоматическая установка следующего по программе инструмента из магазина во второй шпиндель головки. Поворот головки для смены инструмента происходит практически за доли секунды. Инструментальные магазины могут размещаться на шпиндельной бабке, на станине, на отдельной стойке, на столе станка (рис. 10.6). Во всех показанных вариантах (кроме позиции рис. 10.6,и) инструмент транспортируется и загружается с помощью манипуляторов (в ряде изданий даётся название "автооператор"). Захват инструмента осуществляется рукой манипулятора, которая может иметь один, два и более схватов. Наиболее распространены манипуляторы с двухзахватными руками (рис. 10.8). Совокупность устройств для хранения, поиска и смены инструмента на ОЦ называют устройствами автоматической смены инструмента (АСИ). Некоторые компоновочные схемы станков с ЧПУ и АСИ даны на рис. 10.9; 10.10 и 10.11. Рисунок 10.6 – Компоновочные схемы расположения инструментальных магазинов на станках ОЦ могут также иметь устройства для автоматической смены обрабатываемых деталей (АСОД). ОЦ, имеющие системы автоматической смены деталей, представляют собой т.н. станочные модули. Для работы по принципу "безлюдной технологии" ОЦ с АСОД оснащаются накопителями палет (универсальных спутников) с деталями. Ряд фирм выпускают ОЦ с двумя и более (до 4) магазинами для инструмента, с возможностью смены магазина в автоматическом режиме, и накопителями палет с деталями на три-восемь позиций. При наличии систем адаптивного самоконтроля и контроля управления точностью обработки такие станки могут обеспечить работу без участия человека в течение двух смен и более. |