МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ” (МАМИ)

Шакиров А.М. к.т.н., доцент Утверждено

на заседании кафедры

“Технология машиностроения”

ТИПОВЫЕ СТРУКТУРНО КОМПОНОВОЧНЫЕ

РЕШЕНИЯ ГПС МЕХАНООБРАБОТКИ

Учебное пособие

Москва 2014

Разработано в соответствии с Государственным образовательным стандартом ВПО 2000г. для подготовки инженеров по специальности 151001.65 “Технология машиностроения”, магистров направления 151900.68 по профилю “Технология машиностроения” , 220700.68 и профилю “Автоматизация технологических процессов и производств” и специалистов по направлению 151701.65 “Проектирование технологических машин и комплексов”.

Рецензенты:

Генеральный директор ЗАО “ПРОМИНВЕСТ-ТЕХНО” Академик Российской академии транспорта Мержоев А.И.

Главный инженер ОАО “Моссельмаш” Шумаков А.П.

Учебное пособие выполнено на кафедре «Технология машиностроения» и предназначено для инженеров по специальности 151001.65 “Технология машиностроения”, магистров направления 151900.68 по профилю “Технология машиностроения” и направлению 220700.68 и профилю “Автоматизация технологических процессов и производств” и специалистов по направлению 151701.65 “Проектирование технологических машин и комплексов” Шакиров А.М., - М., Университет машиностроения, 2014 - 57 с.

В учебном пособии приводятся примеры структурно компоновочных решений внедренных ГПС механообработки, требования к станкам с ЧПУ, описания систем обеспечения функционирования ГПС, пути повышения эффективности создания и внедрения ГПС.

© Шакиров А.М. 2014

© Университет машиностроения, 2014

В учебном пособии приведены рекомендации по созданию ГПС механообработки. Сформулированы требования к станкам с ЧПУ встраиваемым в ГПС, показаны примеры компоновочных схем станков с ЧПУ, приведены примеры ГПС механообработки, описаны системы обеспечения функционирования ГПС, сформулированы пути повышения эффективности создания ГПС. Учебное пособие предназначено для инженеров по специальности 151001.65 “Технология машиностроения”, магистров направления 151900.68 по профилю “Технология машиностроения” и направлению 220700.68 и профилю “Автоматизация технологических процессов и производств”, а также для инженерно-технических работников машиностроительных предприятий и научно-исследовательских институтов связанных с созданием и внедрением ГПС.

ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

АСУ - автоматизированная система управления

АСУ ТП -автоматизированная система управления технологически

процессом

АС ТПП - автоматизированная система технологической подготовки

производства

АСИО - автоматизированная система инструментального

обеспечения

АСУП - автоматизированная система управления предприятием

АСНИ -автоматизированная система научных исследований

АСУО - автоматизированная система удаления отходов

АТСС - автоматизированная транспортно-складская система

ВТА - видеотерминал

ГАЛ - гибкая автоматизированная линия

ГАУ - гибкий автоматизированный участок

ГАЦ -гибкий автоматизированный цех

ГПМ - гибкий производственный модуль

ГПС - гибкая производственная система

ИРК - инструментально-раздаточная кладовая

КИМ - координатно - измерительная машина

ЛСУ - локальная система управления

МР - методические рекомендации

ОЦ - обрабатывающий центр

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство

ОКР - опытно-конструкторские работы

ОТК - отдел технического контроля

ПО - программное обеспечение

ПР - промышленный робот

ПК - программируемый контроллер

ПМ - промышленный манипулятор

РТК - робототехнический комплекс

РТМ - руководящий технический материал

САПР - система автоматизированного проектирования

САК - система автоматизированного контроля

СОЖ - смазочно-охлаждающая жидкость

ТО - технологическое оборудование

ТЗ - техническое задание

ТП - технический проект

ТЭО - технико-экономическое обоснование

ТЭП - технико-экономические показатели

УВК - управляющий вычислительный комплекс

УП - управляющая программа

ЧПУ - числовое программное управление

ЭВМ - электронно-вычислительная машина

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Металлорежущие станки для ГПС механообработки 9

1.1 Станки с ЧПУ фрезерно-сверлильно-расточной группы 10

1.2 Станки с ЧПУ и ОЦ токарной группы 17

1.2.1 Компоновка станков с ЧПУ и ОЦ токарной группы 18

1.3 Станки с ЧПУ шлифовальной группы 19

2. Автоматизированные системы обеспечения

функционирования ГПС 20

1. Автоматизированная транспортно-складская система (АТСС)

2.1.1 Складское оборудование АТСС 22

2.1.1.1 Краны-штабелеры 22

2.1.1.2 Устройства для приема и перемещения груза 23

2.1.1.3 Стеллажи 24

2.1.1.4 Транспортно-складская тара 25

2.1.2 Транспортные средства АТСС 29

2.1.2.1 Транспортные роботы 29

2.1.2.2 Рельсовые транспортные роботы 29

2.1.2.3 Безрельсовые транспортные роботы 30

2.1.3 Компоновки АТСС 32

2.1.3.1 АТСС линейного типа на базе кранов штабелеров и

напольного оборудования 32

2.1.3.2 АТСС кольцевого типа на базе конвейерного оборудования

2.1.3.3 АТСС многорядного типа 34

2.1.3.4 АТСС на базе подвесных конвейеров 34

2.2 Автоматизированная система управления ГПС 34

2.2.1 Информационное обеспечение АСУ ГПС 39

2.2.2 Программное обеспечение АСУ ГПС 40

2.2.3 Техническое обеспечение АСУ ГПС 40

2.2.4 Общие принципы функционирования АСУ ГПС 41

3 Структурно компоновочные решения ГПС

механообработки 44

1. ГАУ механообработки корпусных деталей 45

2. ГАУ фирмы Werner Kolb механообработки корпусных

деталей автомобиля BMW 47

3. ГАЛ фирмы Comay механообработки головок блока

цилиндров 49

4. ГАЛ фирмы Burkhardt Weber механообработки корпусных

деталей 50

5. ГАЛ фирмы Burr механообработки корпусных деталей 51

6. ГАЦ механообработки корпусных деталей станков

фирмы MAZAK 52

7. ГАЦ механообработки корпусных деталей станков

фирмы Makino 53

3.8 ГАЗ производства электродвигателей приводов станков 54

Список литературы 56

Введение

Современное машиностроительное производство характеризуется быстрой сменой объекта производства, увеличением номенклатуры и уменьшением объемов производств, требованиями повышения производительности обработки.

При этом, одним из направлений решения данных задач является комплексная автоматизация процессов механической обработки. В условиях серийного производства наиболее эффективным способом автоматизации является применение станков с ЧПУ объединенных АТСС и автоматизированными системами обеспечения функционирования ГПС. Применение станков с ЧПУ в 2-3 раза сокращает время пребывания деталей в цехе. При этом доля основного технологического времени повышается с 43% до 75%, за счет снижения доли вспомогательного и подготовительно-заключительного времени. Однако, коэффициент загрузки станков с ЧПУ составляет 40-50%, из-за потерь по организационно-техническим причинам, при этом коэффициент сменности составляет лишь 0,79. Для повышения эффективности использования станков с ЧПУ необходимо:

1. повышать уровень автоматизации станков за счет применения манипуляторов, при станочных накопителей, повышения надежности и быстродействия систем ЧПУ;

2. увеличивать степень концентрации технологических операций совмещая на станках операции точения- сверления – фрезерования – растачивания – зубообработки и другие специальные методы , включая контроль и диагностику

состояния технологической системы СПИД;

3. повышать производительность и надежность станков;

4. применять безлюдную технологию;

5. интенсифицировать режимы резания за счет повышения жесткости и мощности станков, применения инструментов оснащенных пластинками из керамики и СТМ [1];

6. повышать скорости холостых ходов (до 15 м/мин);

7. сокращать время на смену инструментов и подготовку инструментальных комплектов.

Данное пособие разработано на опыте создания и эксплуатации ГПС механообработки на отечественных и зарубежных предприятиях. При этом внедренные ГПС имели частные технические решения обусловленные техническими и технологическими возможностями оборудования. Для сокращения затрат, сроков создания и внедрения ГПС необходимы научно-обоснованные типовые структурно компоновочные решения ГПС.

1. Металлорежущие станки для ГПС механообработки

При создании ГПС выбор металлорежущего оборудования является доминирующим фактором влияющим на технико-экономические показатели. На выбор оборудования влияет:

- предполагаемый уровень автоматизации и структура гибкости ГПС

( ГОСТ 26228-90);

- конструкторско-технологические характеристики подлежащих

изготовлению деталей;

- тип производства, номенклатура и партия запуска деталей.

Современные станки с ЧПУ встраиваемые в ГПС оснащаются при станочными накопителями, устройствами загрузки-выгрузки, автоматизированными системами диагностики состояния технологической системы СПИД, дополнительными степенями свободы подвижных частей станков, что позволяет производить комплексную обработку деталей за одну технологическую операцию и обеспечить автономность работы во времени. Станки с ЧПУ токарной группы при необходимости могут иметь исполнение

для выполнения дополнительных переходов – фрезерования, сверления, зубообработки, нарезания шлицев, термической обработки. Системы ЧПУ (CNC) позволяют производить графическое диалоговое программирование с 3D-симуляцией реального времени работы станка. Станки с ЧПУ фрезерно-сверлильно-расточной группы позволяют выполнять комплексную обработку корпусных деталей с 5 сторон за одну технологическую операцию. При необходимости на станках данной группы можно производить токарную обработку, по команде системы ЧПУ автоматически уменьшать усилие закрепления заготовок при выполнении чистовых переходов.

В данном разделе приводятся дополнительные данные по станкам с ЧПУ, позволяющие более рационально выбирать оборудование при создании ГПС.

1.1Станки с чпу фрезерно-сверлильно-расточной группы.

Компоновочные решения и основные параметры и размеры многоцелевых станков с ЧПУ сверлильно-фрезерно-расточной группы приведены в ГОСТ 27491-87.

Выбор модели станка зависит от конструкторско-технологических характеристик обрабатываемых деталей, типа производства, требований к уровню автоматизации ГПС. Основной характеристикой станка является ширина стола, которая изменяется с коэффициентом геометрической прогрессии 1,26. На станках с горизонтальной осью шпинделя соотношение ширины и длины стола равно 1:1 или 1:1,25, а на станках с вертикальной осью шпинделя - 1: 1,6 или 1: 2. Перемещения стола выбирают с учетом наибольших размеров обрабатываемых деталей, размеров приспособлений устанавливаемых на паллеты (ГОСТ 27218-87) и выхода инструмента за контуры обрабатываемых поверхностей.

В зависимости от технологического назначения возможна компоновка станка с вертикальным или горизонтальным расположением шпинделя. Загрузка-выгрузка станков производится паллетами. Паллеты имеют Т-образные пазы, базовые отверстия для ориентации на столе станка и зажимные поверхности. В зависимости от компоновки станка, габаритов и массы комплекта паллета-приспособление-деталь применяют следующие варианты загрузочных устройств:

1. Поворотное двух позиционное загрузочное устройство (Рис 1.1). Загрузочное устройство оснащено механизмом перемещения паллет на стол станка. Недостатком данного устройства является увеличение площади станка. Возможна компоновка загрузочного устройства сбоку стола станка.

2. Двух позиционное фронтальное загрузочное устройство

(Рис 1.2). При загрузке станка стол перемещается к требуемой

станции, где производится загрузка или выгрузка стола.

3. Осевые загрузочные устройства (Рис. 1.3). Загрузочные устрой-

ства расположены по оси стола станка. Данный вариант применяется для паллет с размером от 1000 мм.

4. Загрузка стола станка транспортным роботом (Рис. 1.4).

Рис.1.1 Поворотное двух позиционное загрузочное устройство

Рис.1.2 Двух позиционное фронтальное загрузочное устройство

Рис.1.3 Осевые загрузочные устройства

Рис. 1.4 Загрузка станка транспортным роботом

Для обеспечения автономности работы станка встраиваемого в ГПС необходимы системы накопления настроенных комплектов паллет. В зависимости от длительности цикла обработки детали на станке, габаритов и массы заготовок, компоновки станка и ГПС возможны следующие схемы накопительных устройств:

1. Многоместный накопитель (поз. 9) (Рис. 1.5), объединен с

загрузочным устройством станка. Загрузка-разгрузка паллет на стол (поз.5) выполняется перегрузочным устройством (поз.6).

Загрузка-выгрузка накопителя производится загрузочным устройством (поз.7).

Рис. 1.5 Многоместный накопитель

2. Вертикальный накопитель элеваторного типа (Рис. 1.6),

применяется для мелких корпусных деталей с небольшим циклом обработки. Позволяет экономить площадь цеха и обеспечить автономность работы станка. Данные системы накопителей паллет предлагаются японскими фирмами Matsuura Houera и Mazak. При загрузке паллеты кодируются, что позволяет загружать в накопитель разноименные детали.

Рис. 1.6 Вертикальный накопитель элеваторного типа

3. Линейные накопители (Рис. 1.7). Данная схема применяется для

крупных корпусных деталей. Настроенные комплекты паллет

по команде АСУ ГПС подаются транспортным роботом (поз. 6)

на загрузочные позиции станков.

Рис. 1.7 Линейные накопители

4. Многоярусный кольцевой накопитель (Рис.1.8). Применяется

для накопления паллет с мелкими и средними корпусными деталями.

Рис.1.8 Многоярусный кольцевой накопитель

5. Стеллажный многоярусный накопитель (Рис. 1.9). Загрузка и

последующая выгрузка накопителя производится краном штабелером. Данная схема позволяет обеспечить автономность работы станка на длительный период времени.

Рис. 1.9 Стеллажный многоярусный накопитель

К станкам фрезерно-сверлильно-расточной группы для ГПС

предъявляются следующие дополнительные требования:

1. обеспечить взаимозаменяемость паллет для всей группы

однотипных станков;

2. оснащение станков устройствами контроля положения

обрабатываемых поверхностей и режущей части инструмента;

3. возможность использования многошпиндельных и

плансуппортных головок;

4. контроль состояния технологической системы СПИД с

обеспечением стабильности точности и качества обработки;

5. возможность 5-ти сторонней обработки при выполнении

дополнительных переходов – шлифования, глубокого сверления, протягивания.

1.2 Станки с ЧПУ и ОЦ токарной группы

Анализ деталей обрабатываемых на токарных станках показывает, что более 60% поверхностей предусматривают обработку: шпоночных и винтовых канавок; зубьев и шлицев; крепежных и глубоких отверстий; окон, лысок и пазов; наклонных поверхностей (Рис.1.10). Также в деталях данной группы возможно термическое упрочнение (поверхностное до HRCэ 30…35 ед., химикотермическое - до твердости HRCэ 55…65 ед.).

Рис. 1.10 Зубофасочный переход

Данные требования предъявляют к станкам данной группы дополнительные требования:

1. возможность управления движениями узлов станка более чем

по четырем (пяти) осям;

2. оснащение револьверных головок приводным инструментом;

3. поворот и фиксация шпинделя с изделием на требуемый угол;

4. параллельная обработка детали двумя и более револьверными

головками;

5. наличие на станке противошпинделя (оппозитные шпиндели);

6. наличие на станке инструментальных магазинов с

устройствами автоматической замены инструмента или его

режущей части;

7. оснащение станков автоматизированными системами

контроля состояния и положения режущих инструментов;

8.возможность выполнения дополнительных операций –

зубонарезания, шлифования, термического упрочнения и т.п.;

9. применение инструментальных материалов для обработки

упрочненных поверхностей твердостью до HRCэ 60…65 ед;

10.использование автоматизированных систем контроля

точности и качества обработки ;

11.наличие автоматизированных систем накопления, загрузки

и выгрузки изделий;

12.оснащение станков подвижными и неподвижными люнетами

13.возможность быстрой переналадки станка.

1.2.1 Компоновка станков с ЧПУ и ОЦ токарной группы

В зависимости от конструкторско-технологических характерис-

тик обрабатываемых деталей возможно применение станков с

горизонтальной или вертикальной осью вращения заготовки .

Станки с вертикальной осью (карусельные) применяют для

обработки крупных деталей класса диски. Станки данной группы

могут иметь исполнение одно или двух стоечное, патронное или

патронно-центровое, иметь несколько независимых суппортов с револьверными головками и вращающимися инструментами, два параллельных шпинделя изделия с нижним или верхним расположением.

Станки с горизонтальной осью закрепления деталей имеют два

исполнения – патронное или патронно-центровое [2].

Загрузка станков может производиться:

- напольными роботами;

- портальными манипуляторами.

Использование напольных манипуляторов ограничено из-за

необходимости дополнительной производственной площади для

манипулятора. В зависимости от числа степеней свободы, портальные манипуляторы могут быть линейного или рамного типа.

Портальные манипуляторы также можно использовать для замены режущих инструментов и кулачков при наличии соответствующих магазинов на станке.

Для накопления заготовок для токарных станков используют:

- тактовые столы;

- конвейеры;

- стационарные столы;

- накопители типа “Унифлекс”(Рис. 1.11).

Накопители “Унифлекс” позволяют обеспечить большую

автономность работы станков.

Рис. 1.11 Накопители типа “Унифлекс”

1.3 Станки с ЧПУ шлифовальной группы

Станки с ЧПУ шлифовальной группы применяются на операциях

круглого шлифования наружных цилиндрических и криволиней-

ных поверхностей , торцов валов, шлифования отверстия и торца,

зубьев зубчатых колес. К станкам данной группы предъявляют

дополнительные требования:

1.накопление и автоматизированная загрузка-выгрузка изделий;

2.возможность бесступенчатого регулирования подач, циклов

и видов шлифования;

3.автоматический контроль точности и качества обработки;

4.автоматический контроль состояния режущей части

шлифовального круга;

5.наличие устройств для динамической балансировки шлифо-

вальных кругов;

6.наличие магазина шлифовальных кругов;

7.управление механизмом правки круга от системы ЧПУ;

8.оснащение станков автономными системами подачи и

регенерации СОЖ;

9.класс точности станков не ниже “В”.

В ГОСТ 27797-88 приведены технические требования к

шлифовальным станкам с ЧПУ и ГПМ.

Загрузочные и накопительные устройства для станков

шлифовальной группы аналогичны станкам токарной группы.

2. Автоматизированные системы обеспечения

функционирования ГПС

2.1 Автоматизированная транспортно-складская система (АТСС)

АТСС – система взаимосвязанных автоматизированных транс-

портных и складских устройств для укладки, хранения, накоп-

ления, разгрузки и доставки предметов труда и технологической оснастки.

АТСС одна из основных систем обеспечения функционирования, так как основой организации работы ГПС является схема- СКЛАД-

СТАНОК-СКЛАД, при этом выполняются следующие функции:

1.прием материалов, заготовок, полуфабрикатов, деталей, приспособлений, режущего и вспомогательного инструмента ;

2.выдача со склада материалов, заготовок, полуфабрикатов, деталей, технологической оснастки;

3.учет поступления, выдачи и наличия на складе материалов, полу-

фабрикатов, деталей и технологической оснастки;

4.транспортирование заготовок, полуфабрикатов, технологической

оснастки и деталей на склад , приемные устройства технологичес-

кого оборудования;

5.межоперационное транспортирование паллет или кассет с заготовками;

6.транспортирование настроенных комплектов режущих инстру-

ментов с ОНИ или со склада АТСС к ГПМ и обратно.

Состав АТСС образуют две подсистемы – транспортная и складская. Типажом АТСС установлен следующий ряд грузоподъемности оборудования : 0,05; 0,1; 0,15; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0;

3,2 т. Габариты грузовых единиц, мм: 400 х 300; 400 х 400; 400 х 600; 500 х 500; 600 х 600; 600 х 800; 800 х 800; 800 х 1200; 1000 х

1000; 1000 х 1600; 1200 х 1200. На Рис.2.1 приведена классифи-

кация технических средств АТСС.

Рис. 2.1 Технические средства АТСС

2.1.1 Складское оборудование АТСС

2.1.1.1 Краны штабелеры

Основные функции - загрузка-выгрузка стеллажей и приемных устройств ТО, распределение грузов между ТО. Штабелирующее

оборудование подразделяют на две большие группы – напольное и

крановое. Параметры напольных штабелеров определены ГОСТ 10721-71. Напольные штабелеры обладают большей гибкостью и

большей скоростью перемещения грузов, исключают жесткие связи со строительными конструкциями цеха, лучшим использова-

нием объема склада. Недостатком напольных штабелеров является

необходимость присутствия оператора при выполнении транспорт-

ных операций.

Крановые штабелеры бывают с одной и с двумя колоннами. При

этом классифицируются по способу крепления и по месту расположения приводов. В ГОСТ 16553-82 приведены типы и основные параметры кранов-штабелеров. На Рис.2.2 показана конструкция крана-штабелера СА ТСС-1,0 [ 3 ].

Рис.2.2 Кран-штабелер