20 Механизация и автоматизация технологических процессов механической обработки

20.1 Автоматизация металлорежущих станков и производства

Всякое автоматическое устройство отличается цикличностью работы, при этом все элементы цикла выполняются без участия человека. С этой целью на металлорежущих станках автоматизируют включение и выключение подач, подводы и отводы частей станков, загрузку заготовок, уборку стружки и т. д., т. е. тех действий, где при работе на универсальных станках обязательно вмешательство человека. Металлорежущие станки обеспечивают высокую производительность, если совместить все их вспомогательные и рабочие движения и при этом добиться совместной работы большого числа инструментов.

Автоматизация производства позволяет разбивать процесс изготовления детали на отдельные операции, т. е. осуществлять принцип дифференциации. При этом каждая операция совершается автоматическими механизмами или на автоматических станках, работающих одновременно. Вместе с тем устройства могут быть объединены в автоматические комплексы, что соответствует принципу концентрации. Комплексами считаются объединения станков, линии, цехи или отдельные заводы.

Наиболее перспективным направлением автоматизации производства в машиностроении и других отраслях промышленности является создание комплексно-автоматизированных гибких технологических систем.

Универсальные металлорежущие полуавтоматы и автоматы надежны в работе. Но они, работая по жестко установленной программе, обладают серьезным недостатком: не реагируют на отклонения качества деталей в ходе обработки. Это связано с трудностью корректировки программы простыми средствами, а при их разработке невозможно предвидеть в совокупности изменений такие факторы, как износ инструмента, колебания температуры, непостоянство припуска, сил трения и жесткости станка, инерционность и быстродействие механизмов и т. п. Поэтому необходимы постоянное наблюдение за их работой и периодические подналадки.

На современном этапе развития техники была поставлена задача создания и применения принципиально новых методов автоматизации станочного оборудования, которые обеспечивали бы высокую технологическую гибкость производства. Проблема решается путем создания широкоуниверсальных систем программного управления.

При традиционных методах автоматизации весь объем информации, необходимый для изготовления деталей, реализовывался в кулачках, копирах, упорах и др. Все эти носители аналоговой информации физически связаны с размерами обрабатываемой детали, поэтому их изготавливают предварительно с большой точностью.

При подготовке же программы для станков с программным управлением оперируют лишь информацией в числовой форме с рабочего чертежа детали. Это позволяет применять математические методы для подготовки программ и автоматизировать процесс их изготовления с помощью ЭВМ.

Станки с программным управлением отличаются высокой производительностью, присущей специальным станкам, и гибкостью (прежде всего простота переналадки), характерной для универсального оборудования. Эти станки возможно применять практически в любых условиях производства. Металлорежущие станки снабжаются цикловым (ЦПУ) или числовым (ЧПУ) видами программного управления.

Станки с ЦПУ используются, например, при обработке ступенчатых валов. Они имеют позиционную систему с панелями упоров, включающих или отключающих подачу суппорта. Программа задается расстановкой специальных стержней – штекеров в гнездах панели, которая дает возможность запрограммировать до 120 различных переходов. При работе используется специальная программная карта, которая исключает использование рабочим чертежей, а также освобождает его от расчетов. Станки с ЦПУ простые и дешевые, но переналадка станков достаточно трудоемка.

Системы с ЧПУ значительно расширяют технологические возможности станков, так как они производят перемещения рабочих органов станка по одной, двум или трем координатам. Кроме того, на носителе программы может быть зафиксировано практически неограниченное число команд по последовательности и величинам перемещений подвижных элементов рабочих органов станка. По технологическому назначению различают контурное и позиционное управления. При непрерывном, контурном управлении создается координация относительного расположения инструмента и заготовки как по пути, так и по скорости перемещения в любой момент времени. Такое необходимо при обработке деталей со сложным профилем на токарных и фрезерных станках. Координатное, позиционное управление обеспечивает относительное перемещение инструмента и заготовки. Это используется на сверлильных, координатно-расточных и подобных станках с целью вывода инструмента в заданную позицию перед началом обработки поверхности с точным положением оси. Самая высокая точность достигается в системе с адаптированным управлением где добавляется ещё одно дополнительное устройство, которое позволяет автоматически учитывать изменение режима обработки. Адаптивные системы являются самонастраивающимися, самоорганизующимися и самообучающимися системами. Они характеризуются нежестким циклом обработки. При этом значительно упрощается и процесс программирования, так как технолог только приближенно решает задачу, а система с помощью специальных датчиков условий обработки сама изменяет ее и доводит до оптимального решения.

Существуют адаптивные системы, вводящие соответствующие коррективы в режим резания в зависимости от деформаций станка, температуры деформации, износа инструмента и т. д. Это обеспечивает автоматизацию технологической наладки станка.

Помимо отмеченных ранее преимуществ металлорежущих станков с ЧПУ отметим некоторые отличия их от универсальных станков. Ни кинематические, ни силовые приводы станков не имеют люфтов, что приводит к высокой точности обработки и стабильности качества поверхности. Приводы быстродействующие, широко используются различные устройства, исключающие сухое трение в механизмах станков. Станки с ЧПУ имеют высокую степень автоматизации, что приводит к сокращению вспомогательного времени.

Последующим этапом автоматизации металлорежущих станков является оснащение станков с ЧПУ устройствами для размещения (магазинами) и автоматической смены инструмента. Это позволяет проводить обработку заготовки за большое число переходов разными инструментами без снятия ее со станка. В магазине может быть размещено до 150 инструментов, смена которых осуществляется автооператором. Эти станки имеют несколько столов, что позволяет проводить смену и установку заготовки тогда, когда идет обработка другой, ранее установленной на другом столе заготовки. Подобные станки называются обрабатывающими центрами (ОЦ) – многооперационными, многоцелевыми или многоинструментальными.

Обрабатывающий центр обладает высокой производительностью. На этих станках обрабатывают детали, которые не поддаются обработке на обычных станках. Чем сложнее деталь, тем эффективнее ее обработка на ОЦ.

Станки оснащаются устройствами активного контроля (в процессе обработки), автоматического сбора и отвода стружки, контроля состояния режущего инструмента.

Отличительной чертой современных станков является оснащение их устройствами ЧПУ на базе микропроцессоров, имеющих малые габариты.

Повышение производительности ОЦ осуществляется также за счет увеличения числа шпинделей и внедрения адаптивной системы управления, основанной на измерении мощности, потребляемой приводом главного движения. При изменении припуска или твердости обрабатываемого материала автоматически изменяется скорость резания и подача. Сконструированы обрабатывающие центры, несущие многоинструментные головки со сменными барабанами – суперцентры. На этих станках обрабатывается до двадцати типоразмеров деталей.

Необходимо отметить то, что конструкции традиционного металлорежущего оборудования с ЧПУ существенно изменяются в связи с обеспечением возможности совместной его работы с автоматическим транспортом, промышленными роботами, координатными измерительными машинами и другим оборудованием в условиях автоматизированного производства.