Автоматизация технологических процессов в машиностроении

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ____________________________________________________________________________________________________________________ К а ф е д р а “Технология машиностроения” Ю. И. КУРГУЗОВ АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ Методическое пособие для студентов ФДДО Самара Самарский государственный технический университет 2017 Печатается по решению Методического совета ФДДО УДК 621.8 Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Методическое пособие / Кургузов Ю.И. - Самара, Самарский технический университет, 2017. - 45 с. В предлагаемом учебном пособии рассматриваются теоретические и практические вопросы, связанные с автоматизацией производственных процессов на предприятиях, где используются станки-автоматы, станки с ЧПУ и автоматизированные линии. Приведенные материалы ориентированы не только на ознакомление с целевыми механизмами автоматических устройств, но и на изучение технологических аспектов автоматизации. Результатом такого изучения является выполнение студентами самостоятельной работы, сопряжѐнной с тематикой лабораторных работ. Изложенный материал пособия соответствует учебным планам подготовки студентов, обучающихся по направлению 150305 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» Ил. Библиогр. наименований УДК 621.8 © Ю.И. Кургузов, составление, 2017 © Самарский государственный технический университет, 2017 Курс «Автоматизация производственных процессов» входит в блок специальных дисциплин учебного плана, изучаемых на завершающем этапе подготовки бакалавра. К этому времени студенты при выполнении курсовых проектов и работ уже получили практические навыки проектирования металлорежущих станков и инструментов, построения технологического процесса обработки деталей в условиях единичного и мелкосерийного типа производства. Цель настоящей работы – познакомить студента с технологическими основами автоматизации производственных процессов, предоставить им возможность увидеть отличия в технологическом процессе изготовления конкретной детали, индивидуальной для каждого студента, в условиях автоматизированной линии (АЛ); - показать студенту специфику машин, механизмов и устройств, применяемых в АЛ; - привлечь его к разработке компоновки АЛ, выпускающей эту деталь и обеспечивающей требуемую производительность (заданную преподавателем), а также циклограммы работы и схемы автоматизации одного из станков, встроенных в АЛ. Особенностью курса является сочетание в нѐм теоретических знаний, предлагаемых студенту в лекционном материале, с практическими навыками проектирования, приобретѐнными на лабораторных занятиях Поставленная цель реализуется методикой построения и изложения материала. Сначала приводятся сведения об основных видах и признаках, по которым классифицируют АЛ. Затем рассматриваются реализуемые в АЛ принципы построения технологических процессов, применяемое оборудование и режущий инструмент, механизмы автоматического транспортирования заготовок и, наконец, основные этапы проектирования систем управления станками. Организационные и технологические основы создания автоматизированных производств механической обработки Производственный процесс и его автоматизация. Автоматизация производственных процессов предусматривает повышение производительности и качества выпускаемых изделий и в современном машиностроении для различных типов производств развивается в направлениях - повышения технологичности деталей, сборочных единиц и изделий, унификацией их конструкций; - совершенствования методов получения заготовок, повышения их точности и качества, обеспечения стабильного припуска; - повышения степени концентрации операций и переходов; - создания новых методов обработки; - интенсификации процесса резания, прежде всего - скорости резания, за счѐт создания нового оборудования, обладающего высокой жѐсткостью, и нового инструмента в виде сменных многогранных пластин; - создания автоматических линий и систем для комплексного изготовления деталей и сборки изделий с включением всех операций технологического процесса; - повышения степени непрерывности процессов, совмещающих технологические и транспортные операции; - расширения работ в области автоматизации сборки, сочетания автоматических сборочных операций с операциями, выполняемыми вручную; - повышения мобильности производства за счѐт использования агрегатномодульного принципа построения металлорежущих станков, автоматических линий, контрольных и транспортных устройств, а также применения микропроцессорной техники, управляющей технологическими процессами; - создания гибких автоматизированных производств. В промышленно развитых странах 20 – 25% продукции, относящейся преимущественно к производству двигателей, автомобилей и тракторов, а также к производству бытовых электроприборов, выпускается в условиях крупносерийного производства, оснащѐнного автоматами, полуавтоматами и автоматическими линиями. Ещѐ около 20% продукции изготавливают в серийном производстве, где используют не только разнообразное универсальное оборудование, но и станки-автоматы и полуавтоматы. 55 – 60% продукции выпускают в единичном и мелкосерийном производстве, где широко применяется современное универсальное гибкое производственное оборудование, оснащѐнное системами числового программного управления (ЧПУ). В последнем случае возрастает эффект от использования средств микропроцессорной техники, но независимо от типа производства основой автоматизации остаѐтся совершенствование технологического процесса. Традиционно автоматизация производства концентрируется вокруг технологических операций и оборудования, предназначенного для их выполнения. Не отступая от традиций, в первой части пособия для условий крупносерийного производства последовательно рассматриваются - вопросы структурного построения автоматических систем машин и отдельных составляющих этих систем; - специфика применяемого оборудования и реализация с его помощью важных принципов концентрации и дифференциации при проектировании технологических процессов обработки заготовок; - формирование различных компоновок АЛ, обеспечивающих требуемую производительность выпуска изделий; - этапы проектирования систем управления станками. Таким образом, под автоматизацией производственных процессов понимается совокупность мероприятий по разработке прогрессивных технологий, созданию и внедрению высокопроизводительных средств производства, выполняющих основные технологические и вспомогательные процессы без непосредственного участия человека. Это огромный технический комплекс со сложными и многообразными задачами. Основные материальные и информационные потоки сосредоточены в заготовительном, механическом и сборочном производствах, где осуществляются наиболее трудоѐмкие процессы. Для нормального функционирования производственного комплекса требуется развитая система межцехового и внутрицехового транспортирования, хранения заготовок и готовых изделий. До недавнего времени основным направлением автоматизации оставалось механическое и заготовительное производство. В дальнейшем внимание было обращено и на сборочное производство. По-прежнему актуальна автоматизация технологических процессов обработки деталей, но сейчас повышенное внимание уделяется обработке, реализуемой на многофункциональных станках, оснащѐнных системами с ЧПУ. Такие станки в сочетании с типовой и групповой технологией изготовления деталей создают возможности автоматизации мелкосерийного производства. Кроме того, получают распространение автоматические транспортирующие системы, обеспечивающие не только межстаночное транспортирование, но и хранение заделов в магазинах-накопителях. Важнейшей задачей является автоматизация управления предприятием, сбор и обработка текущей информации о состоянии всех звеньев производственного процесса, системы учѐта и оперативного планирования. Решение указанных задач позволило создать условия для комплексной автоматизации. Генеральное направление комплексной автоматизации – не в замене человека, а в создании таких высокоинтенсивных технологических процессов и высокопроизводительных средств производства, которые были бы невозможны при непосредственном участии человека. Требования, предъявляемые к конструкции деталей, технологическому процессу их изготовления, оборудованию и режущему инструменту на современном уровне автоматизации производства. Конструкция изделий и деталей, изготавливаемых в условиях любого типа производства, должны быть технологичными. Автоматизированное производство накладывает на технологичную конструкцию специфический отпечаток, включающий - обеспечение удобства базирования деталей в собранном изделии и заготовок при их механической обработке; - соблюдение условий, обеспечивающих упрощение сборочных работ и возможности их механизации и автоматизации; - создание деталей с такими конструктивными формами, которые позволяют применять более производительные методы обработки и использовать высокопроизводительное оборудование; - максимально возможное упрощение конструкции сборочных единиц и деталей; - возможность применения прогрессивных технологических процессов и более совершенных методов организации труда. Ниже приведены общие требования, предъявляемые к изделию. 1. Минимальное число деталей в сборочных единицах. Минимальное число сборочных единиц в изделии. 2. При обеспечении точности размерных цепей желательно применение, в первую очередь, методов полной и неполной взаимозаменяемости. 3. Обеспечение определѐнности базирования деталей в изделии за счѐт создания на деталях полных комплектов конструкторских (сборочных) баз. 4. Возможность разделения изделия на сборочные единицы. Это даѐт возможность осуществлять общую сборку из предварительно собранных сборочных единиц, организовывать параллельную сборку, применять поточный или автоматизированный вид организации сборочных процессов. 5. Сборочные единицы должны быть рассчитаны на минимальное количество различных способов соединения деталей. 6. Конструкция изделия должна предусматривать возможность его сборки с одной стороны без сложных приспособлений. Кроме общих требований необходимо учитывать применение конкретных методов, способов и условий сборки. Так, сборку цилиндрических соединений легче осуществить, когда на сопрягаемых поверхностях деталей выполнены заходные фаски. Надѐжность сборки резьбовых соединений К тому же повыша- ется, если на сопрягаемых поверхностях имеются ещѐ и направляющие элементы. Общие требования, предъявляемые к деталям. 1. Повышенная точность заготовок, малая протяжѐнность обрабатываемых поверхностей. 2. Наличие на деталях открытых поверхностей для обеспечения свободного входа и выхода инструмента при обработке на проход. 3. В конструкциях деталей следует предусматривать сквозные отверстия. Если же, исходя из служебного назначения, отверстие глухое, то конфигурация его донной части должна быть увязана с конструкцией применяемого инструмента. 4. Детали должны иметь поверхности, однозначно ориентирующие их в пространстве при установке на станок. Требования к технологическому процессу, оборудованию и инструменту. 1. Необходимо стремиться к синхронизации и минимизации количества выполняемых операций, а также к уменьшению числа переустановок деталей. 2. Структура операций и переходов по возможности должна быть параллельной или последовательно-параллельной. 3. Обрабатывающие станки должны допускать возможность размещения нескольких режущих инструментов. Их работа должна быть увязана с транспортными механизмами, перемещающими заготовки. 4. Установка деталей в приспособления производится с помощью автоматизированных устройств. 5. Инструментальная оснастка должна позволять размещать в ней несколько различных или одинаковых инструментов. 6. Следует подбирать материал различных режущих инструментов и режим работы, чтобы обеспечить их одинаковую стойкость по истечении заданного регламентированного времени. В современный технологический процесс активно внедряются станки с ЧПУ, появление которых связывают с гибкостью и автоматизацией не только мелкосерийного, но и единичного производства. В среднем основное технологическое время То при обработке на многоцелевом станке занимает 70% от штучного времени Т шт, в то время как на универсальном станке То = 30% от Т шт. Однако стоимость таких станков на один – два порядка выше. Таким образом, стоимость одной минуты работы станка резко увеличивается. Резервы повышения эффективности автоматизации на базе станков с ЧПУ заключаются в том, чтобы станки максимально использовались в годовом фонде времени, равном 8760 ч (рис. 1). Рис. 1. Схема использования годового фонда времени станка Схема показывает: учѐт временных факторов, связанных с простоями оборудования, включая для станков с ЧПУ вспомогательное время, составляющее 30% от от Т шт, приводит к выводу, что годовой фонд используется примерно на 25%. Данная задача разрешается созданием гибких производственных систем (ГПС), действующих в рамках компьютеризированных интегрированных производств. В эти производства объединены станки с ЧПУ, роботизированные технологические комплексы (РТК), гибкие производственные модули (ГПМ), системы обеспечения их функционирования в автоматическом режиме, обладающие свойством автоматизированной переналадки при изготовлении изделий произвольной номенклатуры. В условиях ГПС отпадает необходимость в технической и сопроводительной документации. Еѐ заменяют машинные носители, либо информация, передаваемая по локальной сети связи. В работе ГПС особое место отводится промышленным роботам (ПР), заменяющим монотонные или вредные для здоровья операции, выполняемые вручную. Кроме того, ПР позволяют не только изменить характер производства, но и создавать принципиально новые технологические процессы, не требующие участия человека. Наиболее трудной в реализации оказалась автоматизация сборочных работ. Объясняется это тем, что при автоматическом соединении деталей необходимо техническими средствами воспроизвести с заданной точностью сложнейший процесс относительной ориентации деталей в пространстве. Типы и классификация автоматизированных систем машин Технологические системы машин (ТСМ) — станочные и сборочные линии сложной структуры, предназначенные для полной обработки деталей, контроля, сборки и испытания изделий. В серийном и мелкосерийном производстве они создаются из гибких производственных модулей и роботизированных технологических комплексов. В крупносерийном производстве ТСМ выполняют в виде автоматических линий. Они, например, широко распространены на заводах автомобильной, подшипниковой, электротехнической промышленности, тракторного и сельскохозяйственного машиностроения. Так, при изготовлении двигателей на АВТОВАЗе и КамАЗе 70-80% оборудования установлены в автоматических линиях. С целью повышения гибкости производства перспективно создание ТСМ по агрегатно-модульному принципу из рационально ограниченного набора унифицированных агрегатов, скомпонованных в самостоятельные ячейкимодули, объединѐнные единой транспортной системой и системой управления. Этот процесс многовариантный, поэтому создание высокоэффективных систем машин — одна из наиболее сложных проблем автоматизации. Автоматизированная линия представляет собой систему машин — автоматов, расположенных в технологической последовательности, объединѐнных автоматическими устройствами для обработки, сборки и контроля изделий, транспортирования и хранения их. Важнейшей составляющей АЛ является система управления, координирующая работу технологического и вспомогательного оборудования. Приведѐм классификацию АЛ по основным признакам (рис. 2). Среди этих признаков наиболее важный — степень гибкости. Гибкость оборудования, позволяющая быстро перестраивать производство на новые виды продукции, является основным требованием любого типа производства, но в наибольшей степени оно характерно для мелкосерийного производства. Меру гибкости можно оценивать коэффициентом [1] Г= Т Т ц  1  1   , Т n  n ц где Т ц — время цикла обработки одной детали; Т п - время переналадки гибкой производственной системы; n - количество наименований деталей для данной системы. Рис. 2. Классификация автоматических линий по основным признакам Чем меньше времени затрачено на переналадку и чем больше номенклатура обрабатываемых на линии заготовок, тем выше гибкость АЛ. В частном случае для автоматической линии, рассчитанной на выпуск изделий одного наименования (n = 1), коэффициент Г = 0. Гибкие АЛ (ГАЛ) создаются из совокупности оборудования, оснащѐнного системами ЧПУ, предназначенного для обработки деталей или сборки изделий широкой, часто сменяемой номенклатуры и обладающего программируемой переналадкой. Область применения ГАЛ - мелкосерийное и серийное производство. Переналаживаемая АЛ предназначена для изготовления более узкой номенклатуры изделий. Она обладает ограниченной гибкостью, при этом большая часть работ по переналадке выполняется вручную. Известная заранее номенклатура обрабатываемых деталей позволяет спроектировать технологический процесс на основе более высокой концентрации операций, чем при использова- нии ГАЛ, и применить многошпиндельное и даже многопозиционное специализированное оборудование, что существенно повышает экономическую эффективность автоматизации. Область применения переналаживаемых линий серийное производство. Непереналаживаемая АЛ создаѐтся для изделий массового выпуска со стабильной конструкцией (ряд типов подшипников, крепѐжные детали, валы генераторов, детали автомобилей и прочие). Это позволяет реализовать на таких линиях наиболее рациональный техпроцесс, основанный на очень высокой концентрации операций, и применить многопозиционное многошпиндельное оборудование. Экономическая эффективность автоматизации в таких условиях наиболее высокая. Другой важный признак АЛ — принцип перемещения изделий (циклический или непрерывный), что принципиально влияет на конструкцию не только рабочих машин, но и транспортных, а также других устройств линии. На линиях циклического действия изделие в процессе изготовления не меняет своего положения в пространстве и лишь после завершения технологических переходов на одной рабочей машине перемещается к другой для выполнения следующих переходов. В процессе перемещения изделие (заготовка) не обрабатывается. На линиях непрерывного действия процесс изготовления совмещѐн с процессом транспортировки изделия. Ярким представителем линий непрерывного действия являются роторные автоматические линии (рис. 3). Рис. 3. Схема роторной линии: 1 – магазин – накопитель; 2 – 5 – транспортные роторы; 6 – 8 – рабочие роторы; 9 - приѐмный магазин Применение роторных машин создаѐт благоприятные возможности для параллельного выполнения одинаковых технологических переходов на одном рабочем роторе. Использование в линии рабочих роторов разных диаметров позволяет выполнять технологические переходы разной длительности, что обеспечивает очень высокую производительность этих линий. Для длительных по времени переходов машина должна иметь больше рабочих позиций. По типу связей между позициями (или рабочими машинами) линии делят на синхронные (с жѐсткой связью между позициями) и несинхронные (с нежѐсткой, гибкой связью). На рис. 4 схематично изображены варианты компоновок АЛ. Рис. 4. Типовые схемы АЛ: а – прямоточная полуавтоматическая линия, обслуживаемая операторами; б – прямоточная АЛ с синхронным потоком заготовок и сквозным транспортом; в – многономенклатурная прямоточная АЛ с несинхронным потоком заготовок, сквозным транспортом и накопителями у каждого станка; г – прямоточная АЛ с несинхронным потоком заготовок, выносным транспортом и накопителями; д – АЛ с синхронным ветвящимся потоком и сквозным транспортом; е – несинхронная АЛ со сквозным транспортом, накопителями и синхронно действующими прямоточными и ветвящимися участками В синхронной АЛ, применяемой для крупных корпусных деталей, изделия передают от позиции к позиции при помощи транспортного устройства жѐсткого типа (шаговые транспортѐры, перемещающие одновременно все заготовки на шаг ℓ). Расстояние между станками линии равно или кратно шагу. Основной недостаток синхронных линий — еѐ остановка при отказе одного какого-либо станка. У линий, состоящих из большого числа рабочих позиций (станков), коэффициент использования существенно снижается, поэтому их целесообразно расчленять на короткие, независимо работающие друг от друга участки. В несинхронной линии между позициями имеется запас заготовок, что позволяет при остановке одной из позиций работать остальным некоторое время. Несинхронные линии особенно эффективны на сборочных операциях, где на отдельных позициях сборочные переходы выполняются вручную, и время их выполнения зависит от качества сопрягаемых деталей. Такие линии состоят из нескольких участков, на каждом из которых позиции связаны между собой жѐстко, а участки — гибко через магазины — накопители. При вынужденной остановке одного участка последующие участки продолжают работать, расходуя имеющийся запас заготовок из бункеров (ѐмкостей) или магазинов-накопителей. Линии с накопителями более производительны, так как простои их существенно сокращаются. Линии с бункерами применяют для небольших, легко ориентируемых автоматическим путѐм заготовок, линии с магазинами-накопителями для более крупных, трудно ориентируемых заготовок. В линии с накопителями вписываются многономенклатурные линии. Это, как правило, гибкие АЛ, в которых заготовки передают от станка к станку в требуемой последовательности с помощью программируемых роботов. По характеру движения заготовок автоматические линии делят на однопоточные и с разветвляющимся потоком. Первые применяют там, где длительность обработки на отдельных позициях примерно одинакова (см. рис 4, а – г). В этом случае заготовки последовательно передают с одной рабочей позиции на другую. Вторые — когда на отдельных участках линии длительность обработки возрастает, в результате чего возникает необходимость дублирования станков на этих участках (см. рис. 4, е). При дублировании в одноимѐнных рабочих позициях заготовки обрабатываются одновременно (параллельно). В АЛ заготовки или изделия устанавливают и закрепляют либо в приспособлениях, размещѐнных на станках, либо в приспособлениях-спутниках, перемещаемых вместе с изделием. По этому признаку АЛ подразделяют на спутниковые и бесспутниковые. В каждом приспособлении можно закрепить одну, несколько одинаковых или несколько разных заготовок (изделий). На бесспутниковых линиях применяют приспособления стационарного типа, они постоянно закреплены на каждом станке линии. Устанавливают заготовки в эти приспособления и удаляют их оттуда автооператорами (механическими руками), захватами роботов и другими способами. На АЛ со спутниками (рис. 5) заготовки 1 обрабатывают с одной установки, при одной схеме базирования и без изменения своего положения на различных станках. Приспособления-спутники 2 на исходную позицию автоматической линии возвращаются специальным транспортѐром 3, расположенным параллельно АЛ снизу или сбоку от неѐ. Количество спутников на линии превышает число рабочих позиций, сами спутники представляют достаточно сложные устройства, имеющие точные установочные элементы как для самого спутника, так и для закрепляемых в нѐм заготовок. Кроме того, на каждом станке должно быть зажимное устройство для закрепления спутника вместе с заготовкой. Всѐ это вызывает усложнение и удорожание линий со спутниками на 1030%. Эти линии применяются для обработки сложных по конфигурации заготовок, неудобных для автоматического перемещения от станка к станку. Спутники непригодны для передачи их в бункера и накопители, поэтому линии со спутниками проектируют в основном как линии синхронного типа. 2 3 1 1 2 Рис. 5. Схема АЛ со спутниками При боковом расположении возвратного транспортѐра возрастает производственная площадь, занятая оборудованием. Вариант сокращения площади приведѐн на рис. 6, где стрелками показано направление перемещения спутников. Возвратный транспортѐр проходит и сбоку, и снизу относительно направления рабочего движения обрабатываемых деталей. Система транспортирования снабжена подъѐмными устройствами, установленными в начале и в конце линии и приводами – электромеханическими 7, 8 и гидравлическими 6, 9. Рис. 6. Общий вид АЛ с приспособлениями-спутниками: 1 – заготовка; 2 – приспособление-спутник; 3 – возвратный транспортѐр; 4 – агрегатный станок; 5 – рабочий транспортѐр; 6 – привод поперечного транспортѐра; 7 – подъѐмник; 8 – привод возвратного транспортѐра; 9 – привод рабочего транспортѐра По расположению транспортирующего устройства автоматические линии делят на линии со сквозным (рис. 6) и несквозным перемещением заготовок (рис. 7). В линиях со сквозным перемещением заготовки до окончания обработки детали не снимаются с несущей части транспортѐра. На всех рабочих позициях деталь во время обработки, оставаясь на транспортѐре, фиксируется и зажимается по базовым поверхностям. Рис. 7. Схема АЛ с несквозным перемещением заготовок валов: 1 – транспортѐр; 2 – фрезерно-центровальный автомат; 3 – автооператор; 4 – центровые токарные автоматы При несквозном перемещении заготовки проходят в стороне от зоны обработки, поэтому в этом случае используют дополнительные загрузочные устройства для перемещения заготовок с транспортѐра в приспособление, расположенное на станке, и обратно, что усложняет линию. Линии с несквозным перемещением заготовок чаще встречаются при обработке деталей типа тел вращения (валы, зубчатые колѐса). Представление о технологических возможностях автоматических линий, составленных из агрегатных станков, можно получить из схем, показанных на рис. 6. АЛ подразделяют также в зависимости от их технологического назначения. В последние годы шире стали использоваться комплексные АЛ, обеспечивающие полную обработку заготовок. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ АЛ Одними из важнейших факторов, от которых зависит выбор структуры компоновки линии, являются еѐ эксплуатационная надѐжность и производительность работы. С повышением надѐжности работы линии еѐ фактическая производительность приближается к теоретической. При этом полнее используются еѐ технологические возможности. Рис. 8. Схемы АЛ для обработки деталей: а – с 2-х сторон; б – с 4-х сторон; в – с 6-и сторон Отказы в работе различных используемых устройств вызывают периодические отключения автоматической линии для восстановления еѐ работоспособности. Коэффициент еѐ использования для линий, состоящих из агрегатных станков, оснащѐнных силовыми головками, составляет: 0,85 — 0,9 при числе силовых головок до 10; 0,8 — 0,85 — при числе головок от 10 до 25; 0,7 — 0,8 — при числе силовых головок свыше 25 до 40; 0,6 — 0,7 — при большем числе головок. Линии простаивают по четырѐм причинам: 1. отказы в работе оборудования (отдельные узлы станков, приспособления, транспортирующие устройства, гидравлическое или пневматическое оборудование); 2. отказы в работе режущих инструментов, связанные с их заменой при потере стойкости; 3. отказы, вызванные организационными причинами (отсутствие заготовок, электроэнергии, несвоевременный приход и уход обслуживающего персонала и т.п.); 4. отказы, вызванные переналадкой линии на выпуск новой продукции. Производительность АЛ. Проектирование любой АЛ начинается с разработки технологического процесса, с определения длительности обработки, времени рабочих ходов, непосредственно влияющего на производительность. Таким образом, ещѐ не имея конструкции АЛ, можно определить еѐ технологическую производительность, шт / мин: Q т = 1 / Т о, где Т о – основное технологическое время самой длительной операции процесса. Для АЛ непрерывного действия технологическая производительность означает количество деталей, обрабатываемых в единицу времени при условии бесперебойной работы. Но в большинстве случаев не удаѐтся полностью совместить холостые ходы с обработкой. Появляются паузы для загрузки и выгрузки, межстаночного транспортирования и т.п. Производительность АЛ снижается. Называется она цикловой производительностью Qц= 1  Тц Т 1 р . х.  Т , х. х (1) где Т р.х. = Т о – время рабочего хода самой длительной операции технологического процесса; Т х.х. – суммарное время холостых ходов самой длительной операции; Т ц – время цикла работы станка. Формулу (1) можно переписать в другом виде: Qц  1 1 Т QТ  х. х. QT 1  Q T Т  Q T  , (2) х. х. где η – коэффициент производительности, характеризующий степень непрерывности технологического процесса в АЛ. Так, η = 0,8 означает, что в рабочем цикле 80% составляют рабочие ходы, а 20% - холостые, т.е. возможности, заложенные в технологическом процессе, использованы на 80%. Для АЛ этот коэффициент не постоянный по своей величине и зависит от коэффициентов использования η исп каждого станка, входящего в АЛ. Коэффициент η исп зависит от времени выполнения планово-предупредительных ремонтов (ППР), от отношения годных и бракованных деталей, полученных при обработке, от уровня эксплуатационной надѐжности автоматов в период времени между ППР. Под обозначением η исп надо понимать коэффициент технического использования, поскольку он характеризует совершенство конструкции каждого автомата. Если у новых автоматов с длительностью эксплуатации 3…7 лет η тех = 0,89…0,91, то после 15 лет работы он снижается до η тех = 0,83…0,85. В реальных условиях периоды бесперебойной работы чередуются с простоями (отказами в работе), отмеченными выше. При этом простои по инструменту и оборудованию, связанные с режимом работы называются собственными или внецикловыми, прочие простои, обусловленные внешними причинами и не зависящие от конструкции АЛ, относят к организационнотехническим. Чем длительнее простои, тем ниже фактическая производительность. Влияние внецикловых простоев (или потерь времени) на производительность можно учесть через один из показателей надѐжности Σ t п, являющийся случайной величиной, но, благодаря математической обработке данных, получивший конкретные значения во многих производственных ситуациях. Внецикловые простои Σ t п разделяют на собственные Σ t с и организационно-технические Σ t орг, вызванные внешними причинами, не зависящими от технологического процесса: t п  t с  t орг . (3) При сравнительном анализе и выборе различных вариантов конструктивно-технологических решений по созданию АЛ должны учитываться только собственные технические потери. Они слагаются из потерь времени, связанных с восстановлением работы оборудования, встроенного в АЛ, и со сменой потерявших стойкость инструментов:  t c   t об   t ин (4) Производительность АЛ, которая учитывает собственные внецикловые простои, называется технической производительностью. Если коэффициент использования АЛ  АЛ  Тц 1  , t с Т ц t с 1 Tц (5) то техническая производительность может быть определена по формуле Q  Q ц  АЛ  Тц 1  Т ц Т ц t  с 1 . Т ц t с (6) В формулах (5) и (6) внецикловые простои Σ t с должны быть отнесены к одному изделию (к одной штуке). Методику определения внецикловых простоев на производительность линии по выпуску конкретной детали студенты осваивают в процессе выполнения лабораторных работ. СТРУКТУРНЫЙ СОСТАВ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ В наиболее общем виде структурная схема АЛ включает в себя (целевые) механизмы (рис. 9). Следует заметить, что система управления автоматической линией с входящими в неѐ механизмами выполняет более сложные функции, чем система управления отдельного станка-автомата. Она не только координирует работу станков и устройств во время рабочего цикла, но и осуществляет вза- имную блокировку, отыскивает неисправности, ведѐт учѐт готовой продукции и т. д. Рис. 9. Структурная схема АЛ В последние годы появилось оборудование нового типа, которое применяется в гибких производственных системах (ГПС). Гибкой производственной системой, согласно ГОСТ 26228-85, называется совокупность в разных сочетаниях оборудования с ЧПУ, роботизированных технологических комплексов (РТК), гибких производственных модулей и систем обеспечения их функционирования в течение заданного интервала времени. По организационным признакам различают гибкую автоматизированную линию (ГАЛ) с расположением оборудования в последовательности технологических операций, гибкий автоматизированный участок, гибкий автоматизированный цех. На рис. 10 представлена структурная схема ГАЛ. Гибкий производственный модуль (ГПМ) — это единица технологического оборудования для производства изделий, автономно функционирующая, автоматически осуществляющая все функции, связанные с их изготовлением, имеющая возможность встраиваться в ГПС. Основу ГПМ составляют станки с ЧПУ, обеспеченные автоматической сменой инструмента, обслуживаемые промышленными роботами, осуществляющими загрузку и удаление деталей со станка на склад или приѐмный стол, снабжѐнные системами подачи инструмента со склада на станок и обратно. Всѐ управление осуществляется от центральной ЭВМ. Линия позволяет обрабатывать заготовки, выпускаемые малыми и средними партиями. Переход на выпуск новой продукции похожей конструкции осуществляется лишь заменой программы обработки. Рис. 10. Структурная схема ГАЛ Отпадает необходимость в переналадке станка, замене режущего инструмента, приспособлений, неизбежных в обычном производстве. Контроль размеров производится в ходе самого процесса. Специальное устройство сигнализирует об отклонениях размеров и исключает возможность изготовления бракованных деталей. Имеется также устройство, контролирующее состояние режущих инструментов в процессе обработки; затупленный инструмент автоматически заменяется. Автоматизация всех работ, связанных с механической обработкой корпусных заготовок в мелко- и среднесерийном производстве, достигает уровня автоматизации массового производства на традиционных автоматических линиях. Применение ГПС позволяет: снизить себестоимость выпускаемой продукции в 3 - 5 раз, повысить качество деталей; высвободить до 90 высококвалифицированных рабочих станочников; повысить в 2 - 3 раза коэффициент использования оборудования с ЧПУ; сократить производственный цикл механической обработки в 3 - 8 раз. ГПС, функционирующая по технологическому маршруту, в котором предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования, называется гибким автоматизированным участком. ГПС, представляющая собой в различных сочетаниях совокупность ГАЛ, гибких автоматизированных участков, РТК для изготовления изделий заданной номенклатуры, называется гибким автоматизированным цехом. ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ К настоящему времени получило широкое применение специальное оборудование из унифицированных функциональных узлов путѐм их объединения в единый комплекс с общей системой управления. В основном эти станки, содержащие вращающийся инструмент и называемые агрегатными, используются для механической обработки корпусных и других деталей, неподвижных при обработке. На агрегатных станках выполняются сверлильные, расточные, шлифовальные операции, нарезание резьбы, фрезерование плоскостей, пазов и выступов, а также сборочные операции. Функциональные узлы агрегатных станков компонуют из силовых столов, силовых головок, шпиндельных узлов (шпиндельные коробки, сверлильные, расточные и др. бабки), поворотных столов, станины (стойки, тумбы). Силовые узлы предназначены для сообщения режущим инструментам главного движения и движения подачи (силовые головки) или только движения подачи (силовые столы). Для привода главного движения (вращательного) в силовых головках обычно применяют электродвигатели, а для привода подачи — кулачки, винтовые передачи, цилиндры (пневматические, гидравлические и пневмогидравлические). Некоторые схемы горизонтального исполнения силовых головок приведены на рис. 11. Головки могут быть также установлены в вертикальные и наклонные положения. По конструкции механизма подач различают головки с выдвижной (до 75 мм) пинолью (малой мощности - до 1,5 кВт), встроенной в неподвижный корпус, и с подвижным корпусом, закреплѐнным на силовом столе. Если привод подачи встроен в еѐ корпус, то такие головки называют самодействующими. Чаще это сверлильные силовые головки с электромеханическим приводом, которые могут иметь один шпиндель или на шпиндель при необходимости может быть установлена многошпиндельная насадка. Головки, устанавливаемые на подвижный силовой стол, имеющий собственный пневматический или гидравлический привод, называют не самодействующими. Силовые столы обеспечивают рабочее и вспомогательное перемещения инструментов. На силовой стол можно установить бабку с любым инструментом, включая протяжку, устройство для запрессовки. Такая дифференциация силовых узлов расширяет технологические возможности агрегатных станков. Рис. 10. Варианты исполнения конструкций силовых головок: а – силовая головка с многошпиндельной насадкой; б – силовая головка с ползуном для крепления кондукторных втулок; в – силовая головка с фрезерной насадкой; г – силовая головка с механическим силовым столом (подвижным корпусом) Силовые головки должны точно выполнять заданный системой управления цикл работы, иметь достаточно малые упругие деформации при различных режимах обработки, обладать высокой подвижностью, их обслуживание должно быть простым. Типовые компоновки агрегатных и многошпиндельных токарных станков. На рис. 11,а и б показаны компоновки однопозиционных агрегатных станков с неподвижным столом, на который устанавливается заготовка. Еѐ поверхности могут быть одновременно с двух или с трѐх сторон обработаны различными сочетаниями режущих инструментов, закреплѐнных в силовых головках. Как правило, агрегатные станки с одной силовой головкой не применяются, т.к. они могут быть заменены универсальными станками. Для повышения производительности обработки на таких станках можно рекомендовать использование многолезвийного комбинированного инструмента, а также многошпиндельных силовых головок. Рис. 11. Схемы компоновок однопозиционных (а, б) и многопозиционных (в - д) агрегатных станков На рис. 11,в – д изображены компоновки более производительных многопозиционных агрегатных станков с поворотным столом, имеющим несколько фиксированных положений (позиций). В некоторых из них может производиться черновая обработка поверхностей, в других – чистовая обработка. В позиции I (рис. 11,в) производится установка (загрузка) заготовок в приспособление. В это время в позициях II – VI одновременно обрабатывается 5 заготовок. По окончании обработки стол поворачивается на угол 360º /n, (n – число позиций), заготовка перемещается на следующую позицию. Таким образом, заготовка возвращается в позицию I, где и происходит еѐ смена. При использовании такой компоновочной схемы может быть достигнуто полное совмещение основных и вспомогательных переходов во времени. Схемы компоновок агрегатных станков реализуют па- раллельную и последовательно-параллельную структуру операций и переходов. Если в качестве технологических баз принять чѐрные поверхности, а при точных методах получения заготовок это вполне допустимо, то обработку многих деталей можно полностью выполнить на одном станке данной компоновки, то есть за одну технологическую операцию. На рис. 11,г показана схема станка с поворотным кольцевым столом и центральной колонной, на которой могут размещаться как силовые головки, так и устройства для зажима заготовок в рабочих позициях; на рис. 11,д – двухстоечный станок с поворотным столом барабанного типа. Возможности дальнейшего повышения производительности обработки и ещѐ большей степени концентрации технологических переходов связаны с применением многошпиндельных головок, а также многоместных приспособлений для установки заготовок. Станки агрегатного типа компонуют из нормализованных узлов, куда входят станина, кронштейны, стойки, силовые головки и силовые столы с направляющими салазками, многошпиндельные насадки, зажимные приспособления и др. Число позиций агрегатных станков с поворотным столом обычно не превышает 12, а общее количество инструментов может достигать 200. Применяются также агрегатные станки, в которых транспортирование заготовок с одной позиции на другую осуществляется по линейной и даже угловой траектории. Агрегатные станки достаточно легко могут встраиваться в автоматические линии с различным их расположением относительно транспортных устройств. Часто в позициях загрузки размещают магазинные автоматические устройства. Подобно многопозиционным агрегатным станкам, такую же структуру операций можно выделить при обработке заготовок на многошпиндельных токарных автоматах или полуавтоматах. В качестве примера на рис. 12 приведена схема расположения шпинделей и инструментальных суппортов в рабочем пространстве 6-шпиндельного патронного горизонтального токарного станка 1Б240П-6К. В зависимости от состояния установочных поверхностей заготовки типа дисков, колец, втулок закрепляют в 3-х кулачковом или цанговом патроне в загрузочной позиции I 6-позиционного барабана. В каждой рабочей позиции II – VI возможна одновременная обработка поверхностей как в продольном (осевом), так и в поперечном направлениях. Обработанная на автоматнотокарной операции заготовка выгружается со станка в позиции I. Рис. 12. Схема рабочего пространства станка 1Б240П-6К Имеются многошпиндельные токарные станки, где заготовкой может быть пруток или труба. В этом случае обработанная деталь отделяется от заготовки отрезным резцом в позиции VI. Токарная обработка рассмотренного типа деталей, а также валов может производиться на вертикальных многошпиндельных станках. Кроме того, валы обрабатывают и на многорезцовых токарных автоматах и полуавтоматах, на токарно-копировальных станках, оснащѐнных несколькими суппортами, перемещающимися в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Насадки к силовым головкам. Многошпиндельные насадки, которыми оснащают силовые головки, предназначены для одновременной обработки группы отверстий. Эти насадки представляют собой своеобразные редукторы, которые проектируют для обработки каждой детали, поэтому их узлы не стандартизованы. Наряду с многошпиндельными насадками широкое применение получили одношпиндельные насадки, используемые для увеличения или уменьшения числа обо- ротов инструмента или для изменения направления вращения. Некоторые схемы одношпиндельных насадок показаны на рис. 13, а многошпиндельных насадок – на рис. 14. Рис. 13. Кинематические схемы одношпиндельных насадок На рис. 13,а вращение от шпинделя силовой головки передаѐтся через вал 1, зубчатые колѐса z 1 и z 2 шпинделю 2 осевого рабочего инструмента. Шпиндели головки и инструмента вращаются в противоположные стороны. На рис. 13,б ось инструментального шпинделя совпадает с осью силовой головки. Вращение шпинделей с разной частотой происходит в одном направлении. Выбор варианта кинематической схемы многошпиндельной насадки зависит от расстояния между центрами обрабатываемых отверстий и от требуемой величины передаваемого крутящего момента. В схеме, изображенной на рис.14,а, за счѐт паразитных зубчатых колѐс 1 – 3 вращение инструментов происходит в том же направлении, что и у шпинделя силовой головки. Схемы, показанные на рис. 14,в и г, обеспечивают минимальное расстояние между осями отверстий. Обычно это расстояние ограничивается диаметральными размерами подшипников, в которых вращаются инструментальные шпин- дели. Сближению осей шпинделей способствуют ступенчатое размещение подшипников в гнѐздах коробки многошпиндельной насадки, а также применение шарнирных валов. Рис. 14. Кинематические схемы многошпиндельных насадок Шарнирные валы 8 (рис. 15) присоединяются к валам распределительной коробки с прикреплѐнным к ней корпусом 1. На корпусе смонтирована опорная плита 2 сменных инструментальных шпинделей 9. Положение шпинделей можно регулировать с помощью Т-образных пазов, расположенных в плите. Рис. 15. Многошпиндельная насадка с шарнирными валами и подводимой кондукторной плитой Плита 2 и кондукторная плита 3 с кондукторными втулками 10, в отверстия которых введены режущие инструменты, соединены при помощи фиксаторов 7 направляющими скалками 4 и втулками 5. Для точной установки кондукторной плиты относительно приспособления или заготовки, а в некоторых случаях и для зажима заготовки 13 в плите можно разместить втулки для направляющих цапф 11 приспособления или установить в плите нажимные пальцы 12. Необходимое усилие зажима заготовки пальцами должно быть обеспечено пружинами 6. После окончания обработки насадка поднимается вверх вместе со шпинделем силовой головки, пружины разжимаются, и кондукторная плита 3 повисает на растянутых пружи-нах. При этом инструменты окончательно не выводятся из отверстий кондукторных втулок. Подводимые плиты удобно использовать в линиях, когда автоматическим путем осуществляется смена заготовок. Существуют инструментальные насадки и для фрезерных работ. Их применяют в тех случаях, когда необходимо изменить частоту вращения фрезы за счѐт передаточных отношений кинематических пар в насадке, а также, когда ось шпинделя фрезы необходимо расположить под каким-либо углом (часто под прямым углом) к оси шпинделя силовой головки. При этом в конструкции насадки, как правило, используются конические зубчатые передачи. Зажимные устройства. Работа зажимных устройств на автоматически действующем оборудовании может быть основана на механическом, электромеханическом, пневматическом, гидравлическом или комбинированном действии. Зажим осуществляется непосредственно штоком, рычажным, клиновым или шарнирно-рычажным механизмом. Наибольшее распространение получили пневматические зажимные устройства. На рис. 16 показаны некоторые пневматические зажимные устройства [2]. Заготовки могут быть закреплены закалѐнным грибком 1, ввѐрнутым в шток поршня, шайбой 2, смонтированной на штоке (рис.16,а), или быстросменной шайбой 1 (рис. 16,б). В этих случаях усилие зажима воспринимается установочной плоскостью заготовки. Рис. 16. Пневматические зажимные устройства прямого действия На рис. 16,в изображено устройство для установки и закрепле-ния детали по посадочному отверстию, являющемуся двойной направляющей базой. Зажим производится кулачками 1, расположенными в окнах втулки 2. Наклонные плоскости кулачков под действием пружинных разрезных колец 3 находятся в постоянном контакте со скошенными клиновыми поверхно- стями оправки 4. При перемещении оправки, связанной со штоком поршня, вниз кулачки выжимаются клиньями оправки, зажимая обрабатываемую деталь. Зажим заготовки может осуществляться с помощью качающихся рычагов. На рис. 17,а заготовка плоскостью и цилиндрическим выступом устанавливается в закалѐнном кольце 1 приспособления. При подъѐме или опускании штока поршня рычаг 2 не только совершает поступательное перемещение, но и поворачивается вокруг оси 3, освобождая или закрепляя заготовку. Повороту рычага способствует выполненный в нѐм паз, который вставлен в цилиндрический выступ 4 неподвижной планки. Рис. 17. Шарнирно-рычажные пневматические зажимные устройства Возможность закрепления детали через отверстие показана на рис. 17,б. Заготовка базируется плоскостью и двумя отверстиями по установочным поверхностям закалѐнных деталей 1, 2 и 3. В этом положении она закрепляется рычагами 4, связанными со штоком поршня пневматического цилиндра. При верхнем положении поршня рычаги сведены так, что заготовка может быть свободно снята или установлена на гладкий цилиндрический выступ детали 2. Установочный палец 3 срезанный. Заготовку можно закреплять обычными прихватами 1 (см. рис. 17,в). Важно, чтобы в процессе автоматического закрепления или раскрепления прихваты не изменяли своего первоначального положения. Этому обстоятельству способствует палец 2, вставленный в паз прихвата, и пружина 3. Зажим происходит при подаче воздуха в штоковую полость цилиндра одностороннего действия. Пружины 3 во время обработки сжаты, а после окончания обработки подача воздуха в цилиндр прекращается, и пружины, разжимаясь, освобождают деталь. С возрастанием сил резания требуется увеличивать силу зажима. В этих случаях в конструкцию автоматических приспособлений вводят клиновые усилительные механизмы с контактной парой клин – ролик. Клин обычно перемещают с помощью штока пневмо- или гидроцилиндра. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ Функции систем управления Для автоматизации технологических процессов применяют различные системы управления (СУ) перемещением рабочих (исполнительных) органов станков. Устройства, служащие для воздействия на главные приводные механизмы исполнительных органов станков, называются системами автоматического управления (САУ). Применение таких систем позволяет централизовать управление, повысить точность обработки и контроля. Выполнение любого технологического процесса производится в определѐнной последовательности. При этом главное отличие станка, оснащѐнного САУ, от универсального станка с ручным управлением, состоит в том, что повторяющийся цикл работы он выполняет по строгой и точной программе. Таким образом, САУ обеспечивает последовательность и синхронизацию (согласованность) движений исполнительных (целевых) механизмов по времени. К основным функциям СУ относятся: 1. выполнение рабочих и холостых ходов механизмов с заданными скоростями в заданной последовательности; 2. обеспечение блокирования устройств, предназначенных для предотвращения поломок и аварий; 3. регулирование хода процесса для поддержания его параметров с целью исключения появления брака; 4. контроль точности изготовления деталей; 5. учѐт выпускаемых изделий; 6. сигнализация о ходе процесса. Разнообразию функций САУ соответствует разнообразие средств автоматики и управления, т.е. САУ накладывает свои особенности на кинематику и конструкцию механизмов автоматических машин. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ В зависимости от решаемых технологических задач САУ классифицируют по следующим признакам. 1. По виду энергоносителя. В промышленности получили распространение механические, пневматические, гидравлические и электрические САУ. Средства электроники и электроавтоматики обычно выполняют функции подачи команд и контроля их исполнения. Сравнительно медленные силовые команды обеспечивают гидравлические, а быстрые – пневматические средства управления. В станках-автоматах продолжают широко использовать механические (чаще всего – кулачковые) САУ. 2. По способу управления – разомкнутые, замкнутые, комбинированные. Структурные системы с разомкнутой (рис. 18,а), замкнутой (рис. 18,б) и комбинированной цепью не зависят от природы регулируемой или управляемой величины. Стрелками обозначены направления воздействия, передаваемого от одного блока системы к другому. Эти схемы в действительности принимают чрезвычайно разнообразные конкретные формы. По таким принципам образуются как простые, так и сложные автоматические системы. Они могут включать в себя устройства любой конструкции и принципа действия. Рис. 18. Структурные схемы разомкнутой (а) и замкнутой (б) САУ: 1 – устройство предварительной обработки информации; 2 – устройство сравнения; 3 – задающее устройство; 4 – усилительно-преобразовательное устройство; 5 – привод с исполнительным устройством; 6 – объект управления; 7 – измерительное устройство датчик) Изучение каждого блока в отдельности является предметом любой отрасли знания. Так, отдельным блоком в системе может быть вычислительная машина, электрический или гидравлический привод, измерительная система. Объектом управления – любая производственная установка, самолѐт, испытательный стенд. Структура управления автоматической машиной выявляет построение тех механизмов, которые осуществляют его цикл, она определяет его кинематику, позволяет наметить основные команды и их последовательность. 3. По типу привода – шаговые и следящие. 4. По типу программоносителя (степени централизации управления): - электромеханические с кулачками, копирами, упорами; - цикловые с перфолентой, внутренними коммутаторами и др.; - числовые с внутренними коммутаторами, ленты и диски. 5. По способу позиционирования: - позиционные (управление положением); - непрерывные контурные; - комбинированные (контурно-позиционные). 6. По информации в управляющей программе – жѐстко программируемые, адаптивные, цифровые, аналоговые. 7. По числу управляемых координат. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ САУ Для детальной разработки САУ в качестве исходных данных необходимо иметь принципиальную кинематическую схему, структурную схему управления и цикловую диаграмму. На принципиальной кинематической схеме автоматизированного станка, с составлением которой студенты знакомятся в курсовом проекте по «Оборудованию машиностроительных производств», отражается основная идея станка, принцип действия и движения отдельных звеньев без конструктивных подробностей узлов. Понятие о структурной блок-схеме системы управления станка студенты имеют из курса «Теория автоматического управления». Принципиальную схему работы станка характеризует цикловая диаграмма. Каждый студент по заданию преподавателя разрабатывает развѐрнутую циклограмму работы конкретного станка при выполнении лабораторной работы №7. САУ бывают централизованными и децентрализованными. Централизованные системы управления. Централизованная СУ – независимая система, которая характеризуется тем, что управление всем технологическим циклом производится с центрального командного устройства, например, с управляющего (распределительного) вала. Продолжительность цикла является величиной постоянной, обычно равной времени одного оборота распределительного вала. Многие металлорежущие автоматы по-прежнему управляются кулачковой системой, в которой совмещены функции управления и привода. Классическим примером применения такой разомкнутой САУ (без обратной связи) является кулачковая система в станках-автоматах токарного типа, где функции задающего устройства возложены на профили кулачков, а исполнительные механизмы, приводящие в движение рабочие органы станка, представляют собой усилительно-преобразовательные устройства. Ещѐ один пример использования разомкнутой СУ рассмотрен на рис. 19, где показана схема работы контрольно-сортировочного автомата. Исполнительные устройства с электромагнитными приводами ЭМ и рычагами 2, 6 и 7 получают соответствующие команды от задающего устройства-датчика и сортируют детали на две группы – годные и бракованные (рис. 19,а), или на несколько групп, предназначенных для селективной сборки (рис. 19,б). Рис. 19. Примеры устройств для сортировки деталей на группы Детали 1 под действием собственного веса перемещаются в наклонных транспортных лотках 3. Поворотные рычаги 2, приводимые в движение с помощью электромагнитов и промежуточных рычагов 6 и 7, обеспечивают доставку сортируемых деталей в соответствующую тару 4. Пружины 5 при обесточенных электромагнитах возвращают рычаги 2 в исходное положение. Система управления с командоаппаратом. Это системы с цикловым программным управлением. Они занимают промежуточное положение между станками с ЧПУ и специальными станками и содержат блоки: программатор, усилительно-преобразовательное устройство, исполнительный механизм. Программатор обеспечивает управление станком согласно заданному циклу и выполняет функции запоминания программы и еѐ поэтапного ввода. Виды управления: кулачковый, аппаратный, программируемый. Кулачковое управление может осуществляться включением барабана с расположенными на нѐм регулируемыми кулачками в кинематическую цепь станка или подключением программатора к шаговому приводу. Аппаратное управление использует релейно-контактную или бесконтактную аппаратуру при малом числе стандартных циклов. В программируемом управлении применяют средства программируемой логики на базе бесконтактных микроэлектронных, интегральных схем. Последние два вида программаторов часто работают как отдельные независимые узлы, не связанные с кинематической цепью станка. В этом случае структурная схема систем управления может содержать обратные связи, с помощью которых контролируется выполнение каких-либо команд (например, перемещений) и даѐтся команда на начало последующего действия в соответствии с заданным циклом. Каждый исполнительный механизм (ИМ) с этой СУ перемещается индивидуальным приводом, который может быть электрическим, пневматическим или гидравлическим. С помощью командоаппарата включаются и выключаются электродвигатели, электромагнитные муфты 8, электромагнитные клапаны и золотники 6, реле и другие подобные устройства. Благодаря электрической связи командоаппарат может осуществлять управление на значительном расстоянии, поэтому он может быть установлен в любом месте, удобном для его эксплуатации. Путевые системы управления. Это децентрализованные системы, в которых последовательные по циклу команды на начало работы каждому приводу подаются путевыми конечными выключателями, фиксирующими момент окончания предыдущего действия. Команды могут быть поданы от выключателей (датчиков), реагирующих как на величину перемещений исполнительных механизмов, так и на изменение усилия, давления, температуры, тока и т.п. Эти системы не требуют дополнительных устройств блокировки на случай неполадок в работе. Если они возникают, то команда на работу последующего по циклу механизма не подаѐтся, и автомат останавливается. Каждый механизм системы имеет свой привод, время действия которого регулируется независимо от остальных устройств. На рис. 20 приведена схема расположения приводов и конечных выключателей на автоматическом токарном станке при обточке валика. Автоматически действующие исполнительные механизмы обозначены номерами: 01 - механизм подачи валиков из магазина на ось центров станка; 02 – задняя бабка, оснащѐнная задним центром; 03 – полумуфта включения шпинделя; 04 – суппорт с резцом. Перемещение механизмов осуществляется пневматическими или гидравлическими приводами, управляемыми электромагнитными клапанами К1 – К4, получающими команды от конечных выключателей. Рядом с каждым ИМ показан цикл его работы. Обозначения на схеме: SQ – конечные выключатели; б.п. – быстрый подвод; б.о. – быстрый отвод; р.х. – рабочий ход; стоп – остановка. Обычно время на быстрые подводы и отводы в этих системах управления несколько больше (до 1 с) за счѐт того, что в конце ходов механизмов предусматриваются небольшие паузы. В результате цикл работы станка с данной системой управления по сравнению с кулачковой системой удлиняется на 3 – 4 с. Рис. 20. Схема путевой системы управления Преимущества путевой системы управления: универсальный станок легко превращается в автомат путѐм установки на нѐм стандартных элементов – конечных выключателей, реле, пневмо- и гидроприводов, электромагнитных клапанов. Настройка станка несложна и сводится к регулированию величины ходов за счѐт перестановки упоров, регулированию скорости перемещений ИМ путѐм изменения сечения дросселя и т.п. ТИПОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ В ПНЕВМАТИЧЕСКИХ И ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ Рассмотрим типовые схемы управления перемещениями ИМ, выполняющие определѐнные функциональные задачи: реверсирование, регулиро- вание усилия, скорости, обеспечение требуемой последовательности срабатывания, синхронизацию работы и т. д. Реверсирование движения поршня цилиндра при помощи пневмораспределителя с электрическим управлением и дифференциальным включением цилиндра показано на рис. 21. При включении электромагнита распределителя 2 обе полости цилиндра оказываются под давлением. Вследствие разности площадей штоковой и поршневой полости шток 1 перемещается вправо. При обесточивании обмотки электромагнита поршневая полость цилиндра соединяется с атмосферой, а в штоковую полость поступает сжатый воздух, вызывая перемещение поршня в обратном направлении. Для регулирования скорости перемещения исполнительных механизмов применяют в основном дроссельный способ. Рис. 21. Схема управления работой Если дроссель используют на входе цилиндра (рис. 22,а), то его устанавливают на подводящей магистрали перед пневмораспределителем. Выпуск воздуха из пневмораспределителя свободный. В этом случае регулируется скорость как прямого, так и обратного хода. С изменением скорости прямого хода v 1 происходит также изменение скорости обратного хода v 2. При этом отношение скоростей – величина постоянная и зависит от номинальных размеров диаметров поршня и штока цилиндра. Недостаток регулирования на входе – отсутствие противодавления в штоковой полости, вследствие чего плавное движение поршня невозможно. Если дроссель применяют на выходе (рис. 22,б), то его устанавливают на выпускной магистрали пневмораспределителя. Подвод воздуха к цилиндру свободный. И в этом случае можно регулировать скорость как прямого, так и обратного хода. При скорости прямого хода v1 происходит связанное регулирование скорости обратного хода. При этом отношение скоростей – также величина постоянная и зависит от номинальных размеров диаметров поршня и штока цилиндра. Недостаток регулирования на выходе – рывки поршня в начале движения. Рис. 22. Схема управления цилиндром с регулированием скорости перемещения Обеспечение разных скоростей перемещений при движении поршня в прямом и обратном направлениях. На рис. 23,а приведена схема управления перемещением поршня с регулируемой скоростью в прямом направлении и постоянной скорости в обратном направлении. На выходе из цилиндра 1 установлен дроссель с обратным клапаном 2. При переключении пневмораспределителя 3 сжатый воздух через обратный клапан пневмодросселя 2 свободно поступает в штоковую полость и так же свободно уходит из поршневой области цилиндра 1 в атмосферу. На рис. 23,б показана схема управления перемещением поршня с регулируемой скоростью в прямом направлении и постоянной повышенной скорости в обратном направлении. Как и в предыдущем случае, на выходе установлен дроссель с обратным клапаном 2. Также свободно, но уже через обратный клапан 3 быстрого выхлопа сжатый воздух проходит в поршневую полость цилиндра. При переключении пневмораспределителя 4 сжатый воздух через обратный клапан 2 свободно поступает в штоковую полость ци- линдра 1, а вытесняемый воздух из поршневой полости клапаном быстрого действия 3 выпускается прямо в атмосферу. Рис. 23. Схема управления одним пневмоцилиндром: а – с регулированием скорости прямого хода; б - с регулированием скорости прямого хода и форсированием скорости обратного хода; в - с регулированием скорости прямого хода и обратного хода На рис. 23,в приведена схема управления перемещением поршня с регулируемой скоростью в прямом направлении и в обратном направлении. Применение двух пневмодросселей 2 и 3 с обратным клапаном позволяет производить независимую регулировку скорости прямого и обратного хода поршня. Для снижения инерционных нагрузок, возникающих при изменении скорости в конечных положениях поршня, могут быть применены различные схемы и конструкции. Одна из конструкций рассмотрена на рис. 24. Рис. 24. Цилиндр с установленными дополнительными поршнями Скорость поршня в конце хода можно регулировать за счѐт специальной конструкции цилиндра. Снижение скорости достигается установкой дополнительных поршней 1 и 2 на штоке, а также дросселей 3 и 4, встроенных в крышки цилиндра. Когда, например, дополнительный поршень 2 входит в отверстие крышки, происходит отсекание некоторого объѐма воздуха под поршнем, который продолжает выходить в атмосферу через дроссель 4. Поршень будет продолжать двигаться в ту же сторону, но только с меньшей скоростью. На рис. 25 приведен пример использования пневмосхемы в приспособлении для автоматического зажима заготовок в патроне токарного станка. Рис. 25. Пневматическая схема приспособления для зажима заготовок в патроне токарного станка В состав пневмооборудования входят: - закреплѐнный на шпинделе станка и вращающийся вместе с ним пневмоцилиндр 9 двойного действия, шток пневмоцилиндра соединѐн с тягой, передающей движение кулачкам клинового патрона; - аппараты подготовки воздуха: фильтр-влагоотделитель 2, маслораспылитель 5 и пневмоглушитель 7; - контрольно-регулирующая аппаратура: пневмоклапан редукционный 3, реле давления 6, манометр 4, обратный клапан 10; - распределительная аппаратура: пневмораспределитель 8. Пневмоаппараты (кроме пневмоцилиндра) размещают на общей панели, которая крепится в шкафе приводов. Сжатый воздух из невмосети поступает через проходной кран в фильтр-влагоотделитель 2, где проходит очистка воздуха от механических частиц и влаги, затем – в редукционный клапан 3, предназначенный для автоматического поддержания давления воздуха и настроенный на давление 0,4 – 0,6 МПа, измеряемое манометром 4. Маслораспылитель 5 осуществляет подачу смазочного масла из резервуара в поток сжатого воздуха для смазки пневмоустройств. Подготовленный воздух проходит через обратный клапан 10 в пневмораспределитель 8, который с помощью электромагнита производит перераспределение потоков воздуха в ту или иную полость цилиндра 9. Отработанный воздух выпускается в атмосферу через глушитель 7. Давление воздуха в полости пневмоцилиндра, работающей на зажим заготовки, контролируется с помощью реле давления 6. При падении давления ниже минимального значения, равного 0,4 МПа, срабатывает конечный выключатель, расположенный в реле, и главный двигатель станка останавливается, поскольку возникает опасность ослабления зажима заготовки в патроне. СИСТЕМЫ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ (САК) Различают пассивный и активный автоматический контроль. Первый не связан с передачей командных сигналов от измерительных устройств к исполнительным механизмам станков. Измерительные устройства при таком контроле лишь фиксируют точность уже обработанной детали и при необходимости сортируют детали на годные и бракованные, а также годные детали – на размерные группы, обеспечивая при последующей их сборке групповую взаимозаменяемость. Активный контроль связан с передачей команд от измерительных устройств к исполнительным механизмам. Он может осуществляться в процессе обработки, до обработки и после неѐ. По назначению САК применяют для контроля технологических параметров в процессе обработки, точности размеров обрабатываемых изделий, состояния оборудования и систем управления, состояния инструмента, положения заготовки перед обработкой и др. В качестве измерительных устройств могут быть использованы визуальные и автоматические средства. Последние называют датчиками. Они преобразуют линейные или угловые перемещения в электрический сигнал. Рассмотрим структурные схемы САК. САК в процессе обработки (рис. 26). Измерительная скоба с плавающим верхним наконечником воспринимает изменение размера обрабатываемой заготовки и передаѐт изменения датчику, который по достижении заданного размера подаѐт командные сигналы через усилитель на привод ИМ, прекращающему обработку путѐм отвода шлифовального круга или изменяющему режимы обработки (например, переход с черновой на чистовую подачу). Применение плавающего закрепления скобы измерительного устройства, позволяющего базировать наконечники по обрабатываемой поверхности, обеспечивает высокую точность обработки, т.к. при этом исключается влияние на получаемый размер упругих и тепловых деформаций технологической системы, в том числе деформаций от колебаний припуска и твѐрдости материала. На точность обработки будет оказывать влияние рассеяние температуры заготовки в момент прекращения обработки, рассеяние промежутка времени от выдачи команды до еѐ исполнения, а также погрешность средства активного контроля. Рис. 26. Структурная схема активного контроля в процессе обработки САК после обработки (рис. 27). После обработки деталь проходит через измерительную позицию. При наличии отклонения в контролируемом разме- ре датчик на выходе вырабатывает командный сигнал, подающийся в усилительно-преобразовательное устройство, где формируются движущие импульсы. Из усилителя команда передаѐтся на привод и далее на исполнительный механизм, изменяющий положение режущего инструмента. Система активного контроля с обратной связью, способная изменять положение ИМ, содержащего режущий инструмент или обрабатываемую заготовку, с целью достижения требуемых размеров получили название подналадчиков. Подналадчики могут быть приведены в действие по результатам измерения одной, двух и более деталей. Рис. 27. Структурная схема активного контроля после обработки В данной схеме деталь в процессе измерения неподвижна, что позволяет повысить точность контроля. Но пока одна деталь подвергается измерению, другая в это время обрабатывается. Так что возможен брак одной заготовки. ДАТЧИКИ Датчики являются основным элементом системы автоматического управления. Датчик – преобразователь, у которого на входе определяется ме- ханическое перемещение (линейное или угловое), а на выходе вырабатывается электрический сигнал. Датчики должны обладать необходимой чувствительностью, надѐжностью в работе, стабильностью, быстродействием. Зависимость между входной и выходной величиной датчика называется его основной характеристикой, в данном случае – чувствительностью. Во всѐм диапазоне измерения чувствительность неодинакова. Так, для пневматического датчика давления (рис.28) целесообразно при измерении использовать интервал зазоров от Smin до Smax, т.к. его чувствительность К, определяемая тангенсом угла α здесь наибольшая: К Рис. 28. Основная характеристика пневматического датчика давления p max  p min S max  S min При этом разность измеряе- мых значений р max и рmin также будет наибольшей. По характеру работы датчики подразделяются на контактные и бесконтактные. На рис. 29 представлена схема электроконтактного датчика. Изменение размера контролируемой детали вызывает перемещение стержня 1 с навѐрнутым на него съѐмным наконечником. При этом на пружинном (беззазорном) кресте 4 поворачивается коромысло 3 с запрессованными подвижными вольфрамовыми контактами 7. Движение передаѐтся через твердосплавную пятку 9 хомутика 10, воздействующего на корундовый штифт 12, запрессованный в малое плечо коромысла. Это плечо в 50 … 100 раз меньше другого плеча, замыкающего контакты, что поРис.29. Принципиальная схема зволяет повысить точность измереэлектроконтактного датчика ния до 1 – 2 мкм. Измерительное усилие создаѐтся пружиной 11. На стержне 1 также закреплѐн хомутик 13 с регулируемым по ширине пазом, в который входит неподвижный штифт 14, что предохраняет шток от поворота в направляющих скольжения. При замыкании контактов 7 и 2, вмонтированных в оцифрованные барабаны 6, которые настраивают по образцовым деталям, выдаѐтся сигнал. Если под наконечник установлена деталь, размер которой превышает верхнее контролируемое значение, пятка отходит от штифта, и под действием пружины 5 замыкается верхний контакт. В корпусе преобразователя может быть установлена измерительная головка 8 для настройки датчика. Бесконтактный пневматический преобразователь с двумя соплами показан на рис. 30. Воздух попадает в камеру 4 и направляется к дросселирующим соплам 3 и 5. Сопло 3 обеспечивает подачу давления в камеру сильфона 10. Одновременно воздух выходит здесь в атмосферу через регулируемый настроечный зазор между соплом 2 и винтом 1. Воздух, прошедший сопло 5, попадает в камеру другого сильфона 8 и выходит в атмосферу через измерительное сопло, располоРис. 30. Пневматический дифференциальный сильфонный датчик давления женное у контролируемой детали 7 с зазором S. Давление в этой камере зависит от величины зазора, т.е. от размера детали. При уменьшении зазора давление в камере возрастает. После того как оно превысит давление в камере 10, сильфон сместится влево, повернѐт рычаг 9 и замкнѐт контакт К 1. При увеличении зазора замкнѐтся контакт К 2, обеспечив тем самым подачу команды в систему управления. Измерение будет происходить, когда расход воздуха через боковую поверхность цилиндра, образованного диметром сопла 6 и зазором S, будет меньше площади сечения отверстия измерительного сопла, что выражается условием: d 4 2  d S  d  4 S, где d – диаметр отверстия сопла 6. В отличие от метода непосредственной оценки измеряемой величины, реагирующего на внешние возмущающие воздействия, дифференциальный метод – метод сравнения заданного и фактического значений. Датчик воспринимает разность давлений воздуха в двух камерах, в которые воздух попадает из одного и того же источника. Внешние возмущающие воздействия, например, колебание давления не будет в этом случае влиять на результат измерения. Если электроконтактный датчик работает в дискретных системах автоматического управления, то индуктивный датчик позволяет измерять непрерывно изменяющиеся размеры с более высокой точностью. Индуктивность катушки датчика определяется по формуле: 4 W 2 4 W 2 L  , lo l1 Rж Rв  F o 1F1 где W – число витков катушки; R ж – сопротивление железных частей датчика (сердечника и якоря); R в – сопротивление воздушного промежутка; μ и μ 1 – соответственно магнитная проницаемость железа и воздуха; l o и l 1 – соответственно длина магнитных линий железных частей и воздуха; F o и F 1 – площадь сечений магнитопровода и воздушного промежутка. Чем больше воздушный зазор, тем выше магнитное сопротивление магнитопровода, меньше магнитный поток и, следовательно, меньше индуктивность катушки. Эти датчики работают по нескольким схемам (рис. 31). Датчик с одной катушкой индуктивности считается датчиком непосредственной оценки измеряемой величины. В одной схеме (рис. 31,а) изготовленный из армкожелеза якорь датчика, связанный с измерительным наконечником, во время измерения перемещается относительно ферритового сердечника с неподвижной катушкой, изменяя площадь перекрываемого якорем воздушного зазора. В другой схеме (рис. 31,б) перемещение якоря вызывает изменение зазора S между ним и сердечником. Характеристики этих датчиков приведены соответственно на графиках, из которых видно, что более чувствительной является схема, показанная на рис. 31,б. Рис. 31. Схемы индуктивных датчиков В диапазоне отклонений измеряемой величины от номинального значения F о или S о характеристика должна быть линейной. Если, например, по общепринятым условиям контроля степень нелинейности не должна превышать 10%, то нужно соблюдать соотношение 2ΔS/ S о = 0,15 – 0,2. Так, при S о = 0,2 мм отклонение с одним знаком ΔS = 0,015 – 0,02 мм. Расширить диапазон линейных измерений при сохранении или даже увеличении чувствительности может дифференциальная схема включения датчика. Для этого датчик должен содержать две катушки, соединѐнные между собой по мостовой или трансформаторной схеме. Схема такого датчика, включѐнного в мостовую схему, изображена на рис. 32. Рис. 32. Схема индуктивного дифференциального датчика Высота контролируемой детали определяет положение измерительного штока 2 и якоря 3, расположенного между сердечниками 4 и 5, на которых размещены катушки индуктивности. При увеличении высоты детали увеличивается зазор между якорем и нижним сердечником и на ту же величину уменьшается зазор между якорем и нижним сердечником. Индуктивность катушки на сердечнике 5 снижается, а на сердечнике 4 – возрастает. Сказанное можно проиллюстрировать графиком, изображѐнным на рис. 33. Выходная величина представляет собой разность значений индуктивности, полученных с катушек сердечников. При той же степени нелинейности 10% диапазон линейной характеристики вырос в 2 – 3 раза при одновременном повышении чувствительности датчика. С помощью индуктивных преобразователей погрешность контроля линейных размеров и перемещений может быть снижена до значений, меньших 0,5 мкм. Преимуществами дифференциальных индуктивных преобразователей является их независимость к изменяющимся внешним возмущающим воздействиям: температуре, электрическим и магнитным полям. Поэтому Рис. 33. Характеристика дифференциального датчика они получили широкое распространение в автоматических системах контроля. Фотоэлектрические преобразователи. Высокую точность измерения позволяют получить фотоэлектрические преобразователи. Основной характеристикой фотоэлемента является световая характеристика, т.е. зависимость фототока J ф от интенсивности светового потока Ф. K dJ ф dФ . Фотодатчики подразделяются на две группы: преобразователи интенсивности и преобразователи со сканированием, т.е. с развѐрткой изображения. В преобразователях интенсивности должны быть приняты меры к тому, чтобы изменения яркости источника светового луча и чувствительности фотоприѐмника не влияли на результаты измерения. Этим мерам удовлетворяет дифференциальный двухканальный датчик. Световой поток (рис. 34) от ис- точника света 1 с помощью призмы 2 разделяется на два луча. Один луч проходит через калибровочный канал с установленной в нѐм диафрагмой 3. Другой луч направляется в измерительный канал и проходит через измерительную диафрагму 7, размер которой зависит от размера контролируемой детали 6. Из обоих каналов лучи попадают на колеблющееся зеркало 5, поочерѐдно отражающее лучи на фотоприѐмник 4. Рис. 34. Схема фотоэлектрического преобразователя интенсивности с двумя световыми каналами Если измеряется деталь с размером h, при котором через калибровочную и измерительную диафрагмы проходят одинаковые световые потоки, nо на фотоприѐмник падает постоянный световой поток из одного и другого канала. При этом в цепи фотоприѐмника идѐт постоянный ток. Размер h влияет на увеличение или уменьшение диафрагмы 7, соответственно – на увеличение или уменьшение светового потока по сравнению в калибровочным каналом. В результате в цепи фотоприѐмника появляется переменная составляющая тока, зависящая от разности поступающих сигналов. На показаниях датчика может отразиться неравномерная загрязнѐнность каналов и смещение зеркал. По точности и стабильности измерения эти устройства уступают фотоэлектрическим датчикам со сканированием. С помощью сканирования изме- ряемый размер преобразуется в длительность импульсов. Схема такого устройства приведена на рис. 35. Рис. 35. Схема фотоэлектрического преобразователя со сканирующей диафрагмой Рис. 36. Импульс фототока с помощью сканирующей прямоугольной диафрагмы Диафрагме 2 с прямоугольным окном сообщают колебательное движение, амплитуда которого позволяла бы ей при смещении вправо и влево заходить за границы измеряемого отверстия 3. При этом интенсивность светового потока, идущего от источника света 1 на фотоприѐмник 4, меняется с частотой колебания диафрагмы 2. При смещении диафрагмы вправо или влево за пределы отверстия световой поток прерывается и через фотоприѐмник перестаѐт проходить фототок. О размере отверстия можно судить по длительности импульса фототока. Чтобы длительность импульсов была пропорциональна измеряемому размеру, устройство сканирования должно обеспечивать движение диафрагмы с постоянной скоростью. Диаметр отверстия в детали может быть определѐн, исходя из следующих соображений. Начало переднего импульса (рис. 36) соответствует моменту нахождения переднего края диафрагмы на проекцию отверстия в детали, а начало заднего импульса – началу схождения диафрагмы с проекции. Следовательно, передний край диафрагмы проходит проекцию размера детали на фотоприѐмник за время (τ1 + τ2). Зная скорость v движения диафрагмы, можно определить размер d = (τ1 + τ2) v. Аналогично этот же размер можно определить как d = (τ2 + τ3) v. Для измерения больших и точных перемещений (в станках с ЧПУ) используют фотоэлектрические микроскопы (рис. 37), которые позволяют точно осуществлять наводку на штрихи штриховых мер – линеек. Колеблющаяся диафрагма 3 поочерѐдно пропускает световой поток от источника света 4 то справа, то слева от непрозрачного штриха 2 линейки. Через стеклянную линейку световой поток попадает на фотоприѐмник 1. В цепи фотоприѐмника проходит ток, амплитуда и форма которого определяются смещением оси диафрагмы ОО´ относительно оси оптической системы АА´. При совпадении оси штриха ВВ´ с осью АА´ в цепи фотоприѐмника проходят импульсы фототока, одинаковые как при отклонениях диафрагмы влево от непрозрачного штриха, так и вправо от него. Если амплитуда колебаний диафрагмы такова, что не выходит при своих колебаниях за пределы светового потока, то в цепи фотоприѐмника проходят импульсы тока с частотой 2f, где f – частота колебаний диафрагмы. Рис. 37. Схема фотоэлектрического микроскопа Фотоэлектрические микроскопы позволяют обеспечить точность наведения на штрих шкалы, характеризуемую средней квадратической погрешностью в сотые доли микрометра. Это позволяет по смещению штриха, нанесѐнного, например, на направляющие станины станка, следить за его деформацией, вызванной нагревом или какими-либо другими причинами. Автоматизация загрузки, выгрузки и транспортирования заготовок Магазинные и бункерные загрузочно-ориентирующие устройства со штучной и порционной выдачей заготовок. Магазинные загрузочные устройства осуществляют автоматическую подачу заготовок в рабочую зону станков и работают в цикле со станком. Их применяют для достаточно сложных по конфигурации заготовок, трудно ориентируемых автоматические путѐм. В магазинные загрузочные устройства заготовки закладывают вручную в ориентированном виде, отсюда автоматическим путѐм они перемещаются в рабочую зону станка. Часто магазины изготовляют в виде лотков. Лотковые магазины. Сечение лотков зависит от формы детали, способа ориентации, способа перемещения детали (качением, перекатыванием или скольжением). На рис. 38 показаны разнообразные конструкции лотков, применяемые в механизмах загрузки. Сечение лотков зависит от формы детали, способа ориентации, способа перемещения детали (качением, перекатыванием или скольжением). На рис. показаны разнообразные конструкции лотков, применяемые в механизмах загрузки. На рис. 38,а и б изображены коробчатые лотки открытого и закрытого типа для стержневых и дисковых деталей. При этом лотки могут быть универсальными, если в их конструкции предусмотреть возможность регулирования положения стенки в соответствии с длиной детали. Когда деталь перемещается в полностью закрытом лотке, то в его боковых стенках выполняют овальные отверстия (рис. 38,б), позволяющие определять наличие в нѐм деталей. На рис. 38,в приведена конструкция пазовых лотков для деталей с буртом; на рис., г – однорельсовые лотки, профиль которых однозначно определяет положение (ориентацию) деталей; на рис. 38,д – цельные и составные лотки для цилиндрических деталей, у которых ось параллельна направлению их перемещения. Этот случай наиболее благоприятный для исключения заклинивания детали при еѐ движении по прямолинейному или трубчатому лотку. Если же затем эти лотки сопрягаются с криволинейным лотком радиуса R (рис. 39), то появляется возможность заклинивания детали. Тогда лоток рассчитывают на проходимость, т.е. определяют его ширину В: B  R  0,5 4R 2  L 2  D  C . Входящие в формулу размеры показаны на рис. 2. Рис. 39. Схема для определения ширины лотка Рис. 38. Разновидности конструкций лотков Заклинивание детали может также происходить при еѐ перемещении в вертикальном лотке. Чтобы этого не произошло, лоток рассчитывают на проходимость. Лотки могут служить также для изменения ориентации транспортируемых деталей на 90° (рис. 40,а) и 180° (рис. 40,б). Замедлители. Это устройства, служащие для замедления скорости движения деталей под действием собственного веса. Простейшие механические замедлители выполняют на дне лотка в виде периодических гофр высотой h до D/3 и с углом α = 120°. Рис. 40. Лотковое устройство для изменения ориентации деталей На рис. 41,а представлен лоток-замедлитель с гладким дном и флажками, расположенными на расстоянии L o = 0,5 L, где L – длина детали; на рис. 41,б – замедлитель с подпружиненными пальцами. Рис. 41. Механические замедлители При вертикальном перемещении детали применяют зигзагообразные магазины, которые предназначены не только для накопления деталей, но и для замедления их движения вследствие изменения направления скорости. Такие магазины-накопители, в частности, используют в несинхронных автоматических линиях для обработки деталей в виде тел вращения, например, подшипниковых колец. Механизмы транспортирования деталей в АЛ с гибкой связью. На рис. 42 изображѐн общий вид несинхронной автоматической линии для обработки заготовок, являющихся телами вращения. Рис. 42. Общий вид АЛ с лотками-накопителями Линия состоит трѐх одношпиндельных токарных автоматов, оснащѐнных автооператорами для установки и снятия обработанных изделий. Межстаночное транспортирование заготовок производится с помощью подъѐмников и лотков (рис. 43), которые применяются как для подачи изделий, так и для их накопления. Заготовки вручную загружают в расположенный справа приѐмный лоток, откуда они попадают в зону действия транспортѐра-подъѐмника, схема действия которого в качестве примера рассмотрена на рис. Перемещение заготовок по неподвижному вертикальному полуоткрытому лотку может осуществляться с помощью цепных или грейферных захватов. В первом случае (рис. 43,а) заготовки поднимаются крючками, закреплѐнными на роликовой непрерывно движущейся по направляющему каналу втулочно-роликовой цепи. При переполненном заготовками лотке крючки не могут преодолеть возросшего усилия, поворачиваются и проходят мимо заготовок. В исходное рабочее положение они возвращаются пружинами кручения, установленными на втулках цепи. Цепь приводится в движение звѐз- дочкой, размещѐнной на приводном валу, которая получает вращение или отключается электромагнитной муфтой. Рис. 43. Схемы транспортѐров – подъѐмников: а – цепного; б – грейферного В другом случае (рис.43,б) находящиеся на наклонном лотке 1 заготовки скатываются на уступ штанги 3, совершающей возвратно-поступательные перемещения. При подъѐме штанги заготовка поднимается, проходя мимо нижней подпружиненной собачки 2, которая затем удерживает заготовку в лотке, не давая ей опуститься при обратном ходе штанги. Дальнейшее продвижение заготовок по лотку обеспечивают несущие собачки 4, установленные на штанге. Дойдя до верхнего предельного положения, заготовка скатывается или соскальзывает в приѐмный зигзагообразный лоток. Бункерные загрузочно-ориентирующие устройства (БЗОУ) со штучной и порционной выдачей заготовок Бункерные загрузочные устройства применяют для загрузки заготовок, имеющих несложную геометрическую форму, небольшие размеры и вес. В бункерное устройство заготовки засыпаются навалом, без какой-либо предварительной ориентации. Заготовки в нѐм автоматически ориентируются и затем попадают в магазин, выполненный обычно в виде лотка, направляющего их к станку. Ориентация заготовок, извлечѐнных из навала, представляет собой случайный процесс, в результате которого количество заготовок, выдаваемых в лоток в единицу времени колеблется около некоторого среднего значения. Чтобы беспрерывно обеспечить циклически работающий станок заготовками, необходимо иметь в составе БЗОУ накопитель (например, лоток), а также механизмы, сбрасывающие лишние заготовки или останавливающие работу устройства при переполнении накопителя. Механизмы ориентации могут выдавать заготовки поштучно, порциями или непрерывным потоком. Для каждого случая среднюю производительность БЗОУ можно соответственно определять по формулам: Q  z n   v ; la Q  z n m ; Q  v , l где z – число захватных органов; n – количество оборотов или двойных ходов в минуту; v – средняя скорость движения заготовок; l – длина заготовки (кармана, крючка и т.п.); а – расстояние между карманами, крючками и т.п.; m – число заготовок, захваченных одним рабочим органом; η – коэффициент вероятности захвата. Средняя производительность БЗОУ должна превышать производительность обслуживаемого станка на 15 – 25%. В конструкциях БЗОУ предусматривается бесступенчатое регулирование скорости движения захватного органа, которое часто обеспечивается применением вариаторов с ремѐнными передачами. По степени автоматической ориентации заготовки разделяют на 5 групп, изображѐнных на рис. 44. К первой группе (рис. 44,а) относятся заготовки с множеством осей ориентации, т.е. те, которые не требуют ориентации. Рис. 44. Классификатор автоматически ориентируемых заготовок Ко второй группе (рис. 44,б) относятся заготовки, имеющие одну ось симметрии и плоскость симметрии, перпендикулярную к оси вращения. Заго- товки этой группы требуют одной степени ориентации, по оси вращения. Заготовки третьей группы (рис. 44,в) имеют только ось симметрии и не имеют плоскости симметрии, поэтому требуют ориентации и по оси и по одному из торцов. Заготовки 4-ой группы (рис. 44,г) – тела вращения с несимметричными элементами, которые в зависимости от конфигурации и размеров необходимо ориентировать многократно. В 5-ю группу включены призматические и пластинчатые заготовки, которые требуют трѐх и более степеней ориентации. Заготовки следует различать по отношению размеров l /d (для тел вращения) или l /b (для плоских заготовок с шириной b). Указанные отношения определяют степень устойчивости положения заготовок в ѐмкости бункера при его работе, а, следовательно, и их расположение относительно захватных и ориентирующих устройств. БЗОУ разнообразны по своему конструктивному решению, определяющим характером которого является вид захватного устройства, позволяющего выдавать на станок заготовки поштучно или порциями. Ниже перечислены некоторые из них: - бункеры с дисково-пазовыми захватами (различным образом ориентированные по диску); - крючковыми захватами; - шиберные устройства (с поступательно движущимся и с качающимся шибером). Широко распространены также вибрационные БЗОУ, не имеющие захватных органов, обеспечивающие вибрацию по двум направлениям и подающие заготовки на станок непрерывным потоком. Автоматическая ориентация заготовок в лотках Из БЗОУ заготовки должны подаваться на станок в ориентированном положении. Ориентация – одна из функций, выполняемых БЗОУ. Обычно она производится в процессе перемещении заготовки за один или за несколько приѐмов, количество которых зависит от степеней еѐ ориентации. В БЗОУ помещают заготовки простой геометрической формы, имеющие одну или две степени ориентации. Так, заготовки в виде цилиндрических роликов имеют одну степень ориентации – достаточно их оси расположить, например, вертикально. Заготовки в виде конических роликов или винтов имеют две степени ориентации – не только их оси должны быть вертикально расположенными, но и торец большего диаметра, например, должен быть обращѐн вверх. Ориентирование может осуществляться в захватном органе, на наклонных или винтовых лотках. Существует два типа ориентирующих устройств: - активные (ориентаторы), устанавливающие заготовки в определѐнное положение независимо от того, в каком положении они находились в систематизированном потоке; - пассивные (селекторы), пропускающие только те заготовки, которые уже должным образом ориентированы. Систематизация потока осуществляется перед входом в ориентирующее устройство конструктивными мероприятиями, обеспечивающими минимальное возможное положение заготовок. Среди этих мероприятий можно выделить сужение ширины дорожки, вдоль которой располагаются своей осью заготовки, перемещаемые к тому же в один слой. Чтобы уменьшить число неправильно ориентированных заготовок, сечение ориентирующего лотка по его длине часто изменяют с целью их сбрасывания в бункер. Отделители (отсекатели) и питатели Для отделения заготовки или группы заготовок от потока и подачи их в питатель применяют механизмы, называемые отделителями (отсекателями). Часто их конструктивно объединяют с питателями, доставляющими заготовки в рабочую зону станка. Отсекатели, питатели являются составными частями конструкций автоматических БЗОУ. Конструктивное исполнение питателей весьма разнообразно и зависит от расположения загрузочного устройства относительно рабочей позиции станка. При конструировании питателей важно знать, какими поверхностями заготовка должна базироваться в приспособлении. Часто установка заготовки в приспособление требует выполнения не одного, а двух и даже более движений. Такие движения реализуют с помощью достаточно сложных механизмов, называемых механической рукой, автооператорами или манипуляторами, работающими по строгому циклу. Учебная литература Основная 1. Капустин Н. М. Автоматизация машиностроения [Текст]: учеб. /, Н.М.Капустин Н.П.Дьяконова, П.М.Кузнецов. - М.: Высш.шк., 2003. - 223 с. 2. Автоматизация производственных процессов в машиностроении: Учебник / Под ред. Н.М.Капустина. – М.: Высш. шк., 2004. – 415 с. 3. Схиртладзе А.Г. Автоматизация производственных процессов в машиностроении: Учебник / А.Г.Схиртладзе, В.Н.Воронов, В.П.Борискин. – Старый Оскол: ТНТ, 2009. – 611 с. 4. Автоматизация производственных процессов в машиностроении: учеб. пособие / Ю.З.Житников, Б.Ю.Житников, А.Г.Схиртладзе и др. Старый Оскол –: ТНТ, 2009. – 655 с. Дополнительная 5. Технологические основы гибких производственных систем: Учебник для машиностроительных специальностей вузов / В.А.Медведев, В.П.Вороненко, В.Н.Брюханов и др.; Под ред. Ю.М.Соломенцева. М.: Высшая школа, 2000. – 255 с. 6. Волчкевич Л.И. Автоматизация производственных процессов: Учеб. пособие. – М.: Машиностроение, 2007. – 380 с. 7. Автоматизация процессов машиностроения: Учеб. пособие для машиностр. спец. вузов / Под. Ре. А.Н.Дащенко. – М.: Высш. шк., 1991. – 480 с. 8. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: Справочник - учебник в 3-х т. Т.3: Проектирование станочных систем / Под общей ред. А.С. Проникова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана; Изд-во МГТУ «Станкин», 2000. 584 с.