1 Введение
Современные станки невозможно представить без электронных систем программного управления (ЭСПУ), которое стало универсальным средством для их управления. Его применяют для всех групп и типов станков, что позволило качественно изменить металлообработку и получить значительный экономический эффект. Обработка на станках с ЭСПУ, как у нас так и за рубежом, характеризуются ростом производительности труда рабочего благодаря сокращению основного и вспомогательного времени (переналадки), возможностью обслуживания нескольких станков одновременно, повышенной точностью работы, значительным сокращением или полной ликвидацией разметочных и слесарно-подгоночных работ.
Большое преимущество обработки на станках с ЭСПУ заключается также в том, что значительно уменьшается доля тяжёлого ручного труда рабочих, сокращаются потребности в квалифицированных станочниках-универсалах, что приводит к изменению состава работников металлообрабатывающих цехов.
Опыт использования станков с ЭСПУ показал, что эффективность их применения возрастает при повышении точности, усложнений условий обработки (взаимное перемещение заготовки и инструмента по пяти-шести координатам), при многоинструментальной многооперационной обработке заготовок с одного установа и т.п., что подтолкнуло дальнейшее развитие электронных систем программного управления и привело к созданию многофункциональных станков (центров).
Дальнейшее развитие ЭСПУ и объединение ЭСПУ отдельных станков в сеть с единым центром позволило создать автоматические производственные линии и даже целые автономные цеха по производству высокоточных трудоёмких деталей.
На сегодня выпуск продукции осуществляется мелкими и средними партиями, что вызывает необходимость частой переналадки оборудования под выпуск новой партии. С этой задачей легче всего справиться используя станки с ЭСПУ, так как при их использовании значительно сокращается время и трудоёмкость переналадки.
Но технический прогресс не стоит на месте, позволяя расширить технологические возможности ЭСПУ, повысить точность и скорость его работы. В связи с этим становится актуальным вопрос о полном переоснащении отечественных предприятий, на которых до сих пор используются станки производства СССР (то есть морально и физически устаревшие). Внедрение современного оборудования позволит повысить производительность труда, сократить число рабочих при применении промышленных роботов и манипуляторов, повысить гибкость производства тем самым сократив время и затраты на освоение выпуска новых видов продукции. Давно замечено, что чем меньше людей участвует в производстве продукции, тем выше её качество. Таким образом создание производств по безлюдной технологии может значительно повысить качество выпускаемой продукции, сократить производственные площади и почти полностью исключить влияние человеческого фактора.
Стоит заметить, что внедрение станков с ЭСПУ привело к необходимости подготовки высококвалифицированного персонала для его использования и обслуживания (программисты, технологи, операторы, наладчики). Следует подчеркнуть особую роль наладчиков. Освоение нового станка с программным управлением и настройка его на обработку детали требуют от наладчика широкого круга знаний в различных областях техники, Эрудиция наладчика в теоретических вопросах должна сочетаться с умением решать чисто практические задачи по настройке станка. Наладчик должен уметь выявлять недочеты в управляющих программах и корректировать их, добиваясь при минимальных затратах времени наилучших результатов по производительности, точности обработки и расходу режущих инструментов. Особая ответственность лежит на наладчике в тех случаях, когда возникают неисправности в работе станка. Наладчик должен в кратчайшие сроки отыскать причину неисправности и принять меры к ее устранению и предотвращению её появления в дальнейшем своими силами или с привлечением специалистов из соответствующих служб.
Наладчик должен уметь читать текст управляющей программы, хорошо разбираться в сопроводительной технологической документации, знать управление большинством моделей станков обслуживаемого им типа, уметь пользоваться чертежами и схемами механических, гидравлических, электрических и электронных устройств, знать методы и приемы технического обслуживания, гарантирующие надежность работы станков с ЭСПУ.
Таким образом, от наладчика в значительной степени зависит производительность и качество обработки, а также надежность работы оборудования.
Данный дипломный проект является завершающим этапом в освоении специальности 2-53 01 31. Темой проекта является разработка комплекса технических мероприятий для устранения неисправностей в технологическом оборудовании с ЭСПУ согласно исходным данным. Дипломный проект включает комплекс вопросов, написание которых требует знания предметов, пройденных за весь период обучения.
2 РАСЧЕТНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 НАЗНАЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,
ЭСПУ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Обрабатывающий центр ИР-500 - одна из самых распространённых моделей обрабатывающих центров на территории бывшего СССР. Он предназначен для фрезерования, сверления и выполнения расточных работ заготовок любых форм и из любых материалов - от чугуна до сплавов цветных металлов, пластмасс. Широкие диапазоны частот вращения шпинделя и скоростей подач, наличие поворотного стола, высокая степень автоматизации вспомогательных работ расширяют технологические возможности станков и позволяют использовать их в составе гибких производительных систем. Обрабатывающий центр с ЭСПУ ИР-500 ПМФ4 оснащён контурной системой программного управления и автоматической сменой инструмента и столов-спутников. Могут устанавливаться системы ЧПУ фирм «BOSCH», «FANUC», «FAGOR». Класс точности станка П (повышенный). Внешний вид станка представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 – Внешний вид обрабатывающего центра ИР500ПМФ4
Системы ЭСПУ серии Fagor 8055 предназначены для управления станками с количеством осей до 7. Она отлично подходит для управления токарными и фрезерными обрабатывающими центрами. Благодаря интуитивно понятному управлению (не требующему знания языков программирования), она позволяет избежать вычислений и ошибок при производстве новых деталей и в результате реально сократить установочное время. В дополнение к ISO-программированию, системы ЧПУ могут оснащаться диалоговым режимом программирования, который позволяет создавать программы обработки непосредственно на ЧПУ, а редактор профилей – создавать пользовательские постоянные циклы обработки. Версии ЧПУ Fagor 8055 с открытой архитектурой (MCO, TCO, GP) отличаются более низкой стоимостью и позволяют применять их для управления практически любыми типами станков и технологического оборудования (шлифовальное, деревообрабатывающее, зубофрезерное и т.п.). При этом нет необходимости тратить деньги за избыточные токарные или фрезерные функции.
Отличное соотношение цена/качество дает возможность применять ЧПУ Fagor 8055 как на простых токарных и фрезерных станках (16А20, 16М30, 65А80 и т.п.), придавая таким станкам новые технологические возможности, так и на высокотехнологичных современных обрабатывающих центрах и специализированном оборудовании.
ЭСПУ 8055/8055i отличает необычайно высокая насыщенность рабочими и технологическими функциями. Управление портальными и тандемными осями, кинематиками, синхронизация осей, трансформация координат и другие многочисленные возможности позволяют реализовать управление станком любой конфигурации.
Рисунок 2 – Внешний вид пульта оператора Fagor 8055
Система сервоприводов Fagor имеет модульную наращиваемую конструкцию. Модульная система сервоприводов DDS представляет собой конфигурируемую систему для управления несколькими осями (AXD) и шпинделями (SPD). Соответствующие модули источников питания (PS, RPS и ХРS) позволяют подключать систему к сети 3х380 В/ 50 Гц. Модули AXD, SPD, PS, RPS и ХРS разработаны специально для применения в индустриальных условиях. Допускают управление как аналоговым (+/- 10 В), так и цифровым (Sercos, CAN) сигналами. Предлагаемый цифровой интерфейс Sercos с оптоволоконным каналом связи обеспечивает абсолютную помехозащищенность, высокое быстродействие и максимально возможный сервис при инсталляции и обслуживании привода.
Существенное достоинство приводов Fagor состоит в наличии аналогового интерфейса управления для всех типов приводов. Данное обстоятельство обеспечивает совместимость практически со всеми распространенными видами ЭСПУ, как современными, так и устаревшими.
Рисунок 3 – Внешний вид сервопривода Fagor
2.2 ЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗАДАННОГО
ЭСПУ С ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ
ЭСПУ получает информацию о текущем положении рабочих органов станка от датчиков обратной связи S2500-C (преобразователь угловых перемещений), MX-925, MX-725 и MX-625 (преобразователи линейных перемещений).
Информация о положении манипулятора смены инструмента приходит от концевых выключателей расположенных на основных точках траектории его движения. Информация о выходе инструмента и поворотного стола за пределы рабочей зоны также поступает от концевых выключателей.
Модуль CPU связывается с приводами через интерфейс Sercos, через который посредством выдачи управляющих сигналов он управляет движением рабочих органов станка (SPD 3.100-S0.0 – привод главного движения, AXD 1.35-S0.0, AXD 2.50-S0.0 – привода подач).
2.3 ТРЕБОВАНИЯ ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЭЛЕКТРОПРИВОДУ
ВХОДЯЩИМ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
При всем многообразии станков требования, предъявляемые к их приводам, обусловливаются главным образом не тем, к какой группе относится станок, а для какого движения предназначен привод: главного движения, подачи или вспомогательного перемещения, так как именно от этого фактора зависит мощность и момент, способ регулирования скорости, диапазоны регулирования, необходимая плавность регулирования, динамические и механические характеристики их приводов.
Требования к электроприводам определяются технологией обработки, конструктивными возможностями станка и режущего инструмента. Основными технологическими требованиями являются обеспечение:
самого широкого круга технологических режимов обработки с использованием современного режущего инструмента;
максимальной производительности;
наибольшей точности обработки;
высокой чистоты обрабатываемой поверхности (снижение шероховатости);
повторяемости размеров деталей в обрабатываемой партии (стабильности).
В современных станках с ЭСПУ функции, выполняемые электроприводом главного движения, значительно усложнены. Помимо стабилизации частоты вращения, при силовых режимах резания требуются обеспечение режимов позиционирования шпинделя при автоматической смене инструмента, что неизбежно ведет к увеличению требуемого диапазона регулирования частоты вращения.
Стабильность работы привода характеризуется перепадом частоты вращения при изменении нагрузки, напряжении питающей сети, температуры окружающего воздуха и тому подобных факторов.
В современных станках динамические характеристики приводов главного движения по управлению прямым образом определяют производительность. При этом время пуска и торможения не должно превышать 2,0 —4,0 с. При наличии зазоров в кинематической цепи главного привода перерегулирование приводит к дополнительным затратам времени на позиционирование, поэтому появляется необходимость обеспечения монотонного апериодического характера изменения скорости.
Динамические характеристики электропривода по нагрузке практически определяют точность и чистоту обработки изделия, а также стойкость инструмента. Устойчивый процесс резания при необходимой точности и чистоте поверхности возможен, если параметры настройки привода обеспечивают при набросе номинального момента нагрузки максимальный провал скорости не более 40% при времени восстановления, не превышающем 0,25с.
Отличительной особенностью главного привода станков с ЭСПУ является необходимость применения реверсивного провода даже в тех случаях, когда по технологии обработки не требуется реверс. Требование обеспечения эффективного торможения и подтормаживания при снижении частоты вращения и режимов поддержания постоянной скорости резания приводит к необходимости применения реверсивного привода с целью получения нужного качества переходных процессов.
Расширение технологических возможностей станков и в первую очередь многоцелевых (обрабатывающих центров) позволяет проводить на одном станке различные технологические операции: фрезерование, сверление и растачивание или точение, сверление и растачивание и т.д., а освоение нового твердосплавного и керамического инструмента существенно повысило режимы обработки.
Однако в связи с этими усовершенствованиями станков усложняется конструкция их электроприводов. Для повышения производительности станков потребовалось увеличить мощность, скорости привода главного движения и приводов подач, максимальные рабочие подачи, снизить время разгона и торможения, время позиционирования приводов подач и вспомогательных перемещений и время ориентации шпинделя.
Требование повышения производительности также привело к увеличению мощности и максимальной скорости привода главного движения; к увеличению скорости быстрого хода приводов подач; увеличению максимальных рабочих подач; снижению времен разгона и торможения, позиционирования приводов подач и вспомогательных перемещений и ориентации шпинделя.
Удовлетворение требованиям снижения шероховатости и повышения точности при обработке и позиционировании ужесточило требования к электроприводам по значению погрешностей в установившихся и переходных режимах при различных возмущающих воздействиях, по расширению диапазона регулирования и увеличению чувствительности электроприводов по входному воздействию и нагрузке, по повышению равномерности движения, особенно при малых скоростях, по увеличению быстродействия при возмущении по нагрузке и при реверсе под нагрузкой на малой скорости.
Для обеспечения повторяемости размеров деталей в обрабатываемой партии и высокой точности позиционирования необходимо иметь высокостабильный привод с высокой равномерностью перемещения и апериодическим переходным процессом при изменении скорости.
Очень важным требованием к электроприводам станков с ЭСПУ, особенно при их работе в автоматизированном производстве, является обеспечение их высокой надежности как относительно сохранения параметров, так и безаварийности и ремонтопригодности. Повышению надежности работы электроприводов в значительной степени способствуют наличие технологических запасов по параметрам отдельных электронных элементов и схемным решениям, корректный монтаж электрооборудования, своевременное проведение профилактических мероприятий и установка необходимой системы диагностики, позволяющей быстро определять и устранять неисправности.
Появление низкоскоростных высокомоментных двигателей умеренных габаритов позволило существенно сократить механическую часть коробки подач, а в ряде случаев полностью ее исключить, установив исполнительный двигатель непосредственно на ходовой винт.
Исключение коробки подач привело к повышению мощности механической передачи, повышению КПД и снижению момента инерции электромеханического привода. В станках возросла составляющая от резания в общей нагрузке приводов подач. В большинстве современных станков нагрузка на двигатель при рабочих подачах без резания составляет не более 20—30 % номинальной.
Рост составляющей от сил резания в общей нагрузке на привод подачи увеличил колебание нагрузки на электроприводе подачи при резании, что ужесточило требования к статической и динамической жесткости привода подачи.
Увеличение скорости быстрых перемещений и снижение скорости установочных перемещений привели к значительному увеличению диапазона регулирования. Максимальная рабочая подача современных многоцелевых станков составляет 30—50 % скорости быстрых перемещений.
Полный диапазон регулирования подач в станках фрезерной, расточной и токарной групп составляет 100 – 10000, а в карусельных расширяется до 30000—40000. Теоретически диапазон регулирования привода подачи каждой оси в станках с ЭСПУ при контурном фрезеровании бесконечен (например, при обработке окружности). Реально минимальная подача ограничена чувствительностью электропривода.
Скорость быстрых перемещений зависит от характеристик механической части привода, возможностей ЭСПУ (в частности, от максимальной частоты сигнала управления приводом от ЭСПУ), дискретности управления, максимальной угловой скорости приводного электродвигателя, коэффициента редукции передачи от двигателя к механизму и других ограничений, вносимых ЭСПУ.
Минимальная скорость привода определяется технологическими требованиями, дискретностью управления и чувствительностью электропривода. Особо высокие требования предъявляются к динамическим характеристикам привода по управляющему и возмущающему воздействиям. Неудовлетворительные динамические свойства регулируемого электропривода, особенно при возмущении по нагрузке, являются причиной повышенной шероховатости поверхности, поэтому весьма важно обеспечить высокое быстродействие привода при сбросе и набросе нагрузки, а также реверсе двигателя под нагрузкой на самых малых скоростях.
Стабильность позиционирования и обработки в значительной степени зависит от стабильности электромеханической системы приводов подач, которая определяется стабильностью ее звеньев, и в первую очередь электропривода, датчика положения и ЭСПУ. Стабильность характеристик электропривода при достаточно большом коэффициенте усиления определяется стабильностью нуля входного усилителя регулятора и стабильностью датчика скорости — тахогенератора. Наибольшая относительная нестабильность имеет место при малых скоростях, когда полезный сигнал соизмерим с дрейфом нуля усилителя и падением напряжения в щеточном контакте тахогенератора.
Другим фактором, влияющим на стабильность, а следовательно, и на идентичность параметров при обработке партии деталей, является характер переходного процесса по управляющему воздействию в замкнутых системах следящего и регулируемого электроприводов. При апериодическом переходном процессе при движении в одну сторону не происходит раскрытия люфтов в механических узлах, а также отсутствует влияние гистерезиса, что приводит к существенному повышению стабильности и точности позиционирования и обработки.
Установка во всех станках сверхточных, сверхбыстродействующих и сверхстабильных электроприводов сопряжена со значительными техническими трудностями и необоснованно высокими экономическими затратами.
В механизмах главного движения в большинстве станков установлены регулируемые электроприводы без обратной связи по положению, в отдельных станках применяются специальные системы ориентации шпинделя либо от мощного двигателя главного привода, либо от специального маломощного двигателя со следящим приводом, аналогичным приводам подач. Очень небольшое количество станков имеет следящий электропривод главного движения от основного электродвигателя.