8.3. Основные технико-экономические показатели

Для станочных систем применяется та же номенклатура основных по­казателей, что и для любого изделия машиностроения, и том числе для ме­таллорежущих станков.

ГОСТ 26228-90 рекомендует выбирать основные показатели, которые приведены ниже. При этом следует выбирать показатели, которые характеризуют систему в целом, ее возможности и технический уровень. Пока­затели входящих в систему элементов - технологического оборудования, транспортных систем, систем управления и др., которые характеризуют каждый компонент сложной технологической системы (АЛ, ГПС, ГПЯ), взаимосвязаны с характеристиками станочной системы в целом и форми­руют ее.

Показатели назначения, которые включают в себя показатели функциональные и технической эффективности; показатели изготовляемой продукции; эксплуатационные показатели.

Показатели надежности, в частности, коэффициент техниче­ского использования оборудования ГПС, при определении которого учи­тывают простои в ремонте и обслуживании основного технологического оборудования, а также простои в ремонте и обслуживании вспомогатель­ного оборудования, вызывающие простои основного оборудования ГПС. Номенклатура показателей надежности составных частей ГПС учитывает­ся в стандартах на их конкретные виды.

Показатели экономического использования сырья» ма­териалов, топлива, энергии и трудовых ресурсов с определени­ем удельных затрат материальных, энергетических и трудовых ресурсов.

Эргономические показатели, характеризующие условия ра­боты человека.

Эстетические показатели, характеризующие совершенство исполнения ГПС.

Показатели транспортабельности, характеризующие при­способленность ГПС к транспортированию оборудования.

Показатели стандартизации и унификации, характери­зующие степень насыщенности ГПС стандартными, унифицированными и оригинальными составными частями.

Патентно-правовые показатели, характеризующие степень обновления технических решений и их патентной защиты.

Экологические показатели, обусловливающие выполнение требований по защите окружающей среды.

Показатели безопасности, обусловливающие выполнение требований по защите персонала в процессе работы, обслуживания и ре­монта оборудования.

В показателях назначения должны быть отражены:

классификационные признаки - комплектность изготовления изделий, методы обработки, формообразования, сборки и контроля, разновидности обрабатываемых изделий, вид станочной системы и ее структура, уровень автоматизации, основное назначение;

состав системы - технологическое оборудование (тип, количество), система обеспечения функционирования, система управления;

технологические возможности - состав технологических операций и обеспечиваемые показатели качества (в первую очередь точности) изготовляемой продукции;

показатели производительности, которые определяются продолжительностью производственного цикла изготовления изделий (узла или комплекта деталей для его сборки);

экономические показатели - суммарный технико-экономический эф­фект использования ГПС, достигаемый сокращением: объема незавершен­ного производства, непроизводительных простоев оборудования, числен­ности производственного персонала и сроков освоения и изготовления из­делий;

показатели изготовляемой продукции - пределы конструктивно-технологических характеристик изделий (их серийность и партионность, а также полнота охвата изделий по номенклатуре) и технологического про­цесса их изготовления;

эксплуатационные показатели - режим работы ГПС, продолжитель­ность ее работы в автоматическом режиме, численность персонала, производственная площадь.

Сложные системы, особенно автоматизированные, к которым отно­сятся станочные системы, имеют ряд особенностей, в первую очередь:

большое число компонентов, каждый из которых самостоятельно вы­полняет заданные функции;

влияние на работоспособность взаимосвязей, которые в значительной степени зависят от структуры системы и методов управления; зависимость эффективности системы и показателей качества от взаи­модействия всех компонентов технологической системы;

возможность восстановления работоспособности отдельных элемен­тов системы без прекращения ее функционирования;

возможность самоорганизации, саморегулирования и адаптации бла­годаря системам управления, информационным системам и исполнитель­ным элементам подналадки.

При назначении основных показателей станочных систем необходимо учитывать указанные особенности и степень совершенства системы.

Наиболее важные показатели, характеризующие станочную систему в целом, следующие: показатели качества (точности) изготавливаемой продукции; показатели надежности; показатели производительности; эконо­мические показатели.

Показатели качества. Они определяются в основном показателями точности деталей (включая отклонения размеров, формы и взаимного рас­положения обработанных поверхностей, параметры их волнистости и ше­роховатости), которые стабильно обеспечиваются системой.

В ряде случаев могут устанавливаться также требования, связанные с состоянием обработанной поверхности (твердость, поверхностные напря­жения, прижоги и др.).

Показатели качества являются продуктом всех компонентов станоч­ной системы. Поэтому если для отдельно взятого станка показатели точно­сти определяются параметрами траекторий формообразующих узлов стан­ка, то для станочной системы - это точностные характеристики обработанных деталей.

В технической характеристике станочной системы должны быть ука­заны те показатели точности (значения или квалитет), которые гарантиро­ванно обеспечиваются данной системой.

Для автоматизированных станочных систем, особенно ГПС, необхо­димо учитывать возможность управления качеством в процессе обработки путем контроля точности, диагностики технологического оборудования и передачи этой информации в управляющую систему, которая анализирует и принимает необходимое решение. Оно может заключаться в выработке управляющего воздействия для подналадки оборудования или изменения режимов обработки, по изменению технологического маршрута.

Эта возможность ГПС повышает достигаемый уровень точности об­работки и учитывается при назначении соответствующих показателей.

Показатели надежности. Для технологических, в том числе станоч­ных систем, для оценки надежности используют те показатели, которые применяют для любых изделий машиностроения, в том числе для металло­режущих станков. Однако в этом случае оцен­ка надежности сложной системы осуществляется с учетом указанных вы­ше особенностей. Поэтому такой основной показатель, как вероятность безотказной работы, здесь практически неприменим, поскольку выход из строя отдельных частей системы не приводит к прекращению ее функцио­нирования, а лишь снижает ее эффективность (например, производитель­ность).

В качестве основного показателя надежности станочных систем при­меняют коэффициент технического использования, который характеризует долю времени нахождения объекта в работоспособном состоянии относи­тельно продолжительности эксплуатации (см. ГОСТ 27.002-83). При этом для ГПС учитывают простои в ремонте и обслуживании основного тех­нологического оборудования, а также простои того вспомогательного оборудования, которое вызывает простои основного оборудования (см. ГОСТ 26228-90).

Суммарное время простоев связано с ремонтопригодностью оборудования, методами и системой устранения отказов (ремонт по состоянию или по графику, наличие диагностических систем и др.) и частотой возникно­вения отказов.

По данным Р. Бонетто, простои (%) для гибкого автоматизированного цеха в среднем составляют: технологического оборудования (станки) - до 7; транспорта и складирования - до 2; систем управления - до 0,5.

Для жестко связанных станков АЛ эти значения существенно возрас­тают и могут достигать 20 % (для АЛ из пяти станков).

Для станочных систем, у которых отказ оборудования вызывает отказ всей линии, в качестве показателя надежности следует применять вероят­ность безотказной работы P(t) за заданный промежуток времени (смена, рабочая неделя, месяц).

Для ГПС, которая продолжает функционировать при возникновении отказов и простоев отдельных ее элементов или частей, показателем на­дежности служит параметр потока отказов ω - среднее число отказов в единицу времени.

Отказы, возникающие при работе технологических систем, разнооб­разны по своей физической природе, по последствиям и по возможности восстанавливать утраченную работоспособность. Поэтому при анализе причин недостаточной надежности системы их следует классифицировать по различным признакам. Внезапные отказы следует оценивать продолжи­тельностью восстановления работоспособности и следует строить гисто­грамму, отражающую число отказов каждой категории. Отказы следует также учитывать отдельно для основных частей сис­темы: технологического оборудования, транспортных систем, систем управления.

Для каждой категории определяют свой параметр потока отказов ω, и суммарный параметр для всей системы ω = Σω_i. Эти параметры вместе с коэффициентом технического использования определяют роль в формиро­вании надежности каждого компонента технологической системы. Необ­ходимым (но не достаточным) условием обеспечения высокой надежности станочных технологических систем является надежная работа каждой час­ти системы и, в первую очередь, технологического оборудования.

Требования к станкам, работающим в условиях ГПС, по сохранению точности (параметрическая надежность) возрастают на несколько поряд­ков по сравнению с требованиями к используемым в обычном производст­ве по следующим причинам:

интенсивность использования станков в ГПС возрастает в 8...10 раз;

в многоцелевых станках одни и те же формообразующие узлы (шпин­дель, суппорт) выполняют и чистовые, и черновые операции, поэтому на­грузки на прецизионные узлы возрастают в 10...100 раз;

постоянно растут требования к точности обработки.

Поэтому показатели, оценивающие параметрическую надежность станков, - ресурс по точности, запас надежности по параметру, вероят­ность безотказной работы - являются составным элементом при оценке надежности станочных систем.

Решая проблему создания работоспособных сложных технологиче­ских комплексов и в особенности ГПС, как правило, ставят задачу обеспе­чения трех уровней надежности:

надежности персонала (обучение, расширение функций, безотказ­ность работы);

надежности оборудования и систем управления;

надежности результата - производство продукции гарантированно высокого уровня качества.

Показатели производительности. Производительность станочных систем определяется количеством годной продукции, выпущенной в еди­ницу времени. При этом выпущенную продукцию необходимо относить ко всему плановому фонду времени, когда технологическое оборудование должно функционировать.

Основные показатели производительности станочных систем следующие: цикловая производительность, техническая производительность, фактическая производительность.

Цикловая производительность Q_ц - число изделий р, выдаваемое АЛ за время рабочего цикла Т_ц (мин), т.е. Q_ц = р / Т_ц. Если АЛ выдает за цикл одно изделие (р = 1), что наиболее типично, то Q_ц = 1 / Т_ц. Каждый рабочий цикл Т_ц содержит время t_р рабочих ходов, когда проводится обработка, контроль, сборка, и время t_в - несовмещенных вспомогательных ходов, ко­гда технологический процесс прерывается, например, для загрузки и за­жима заготовок. Цикловая производительность Q_ц характеризует лишь потенциальные возможности станочной системы по выпуску продукции в условиях, когда последняя работает непрерывно, без простоев, и при этом вся выпущенная продукция является годной.

Техническая производительность Q_т - среднее число годных изделий, выдаваемых АЛ в единицу времени при условии обеспечения ее всем необходимым, с учетом времени работы и собственных простоев. В условиях массового производства Q_т = р∙γ / (Т_ц + Σt_c), а в условиях серийного произ­водства с переналадками Q_т = р∙γ / (Т_ц + Σt_c + Σt_пер), где γ - безразмерный коэффициент выхода годных из р обработанных изделий, численно равный доле годной продукции, принятой ОТК; Σt_c, Σt_пер - внецикловые потери на единицу продукции (мин/шт.) соответственно по техническим причинам (собственные) и для переналадки технологического оборудования АЛ.

Фактическая производительность Q_ф - среднее число годных изде­лий, выдаваемых АЛ в данных конкретных условиях производства, с уче­том всех видов простоев АЛ.

Влияние простоев определяют либо через коэффициент использова­ния η_ис, либо через внецикловые потери Σt_п. В первом случае

.

Здесь η_ис = θ_р / θ, где θ_р - суммарное время работы станочной системы за время θ.

Коэффициент использования можно выразить как произведение част­ных коэффициентов, отражающих влияние тех или иных видов простоев: коэффициент технического использования, учи­тывающий простои из-за собственных потерь технологического оборудо­вания; коэффициент переналадок, учитывающий простои вследствие переналадки; коэффициент загрузки, учитывающий простои по орга­низационно-техническим причинам.

Во втором случае оценка фактической производительности проводит­ся через внецикловые потери Σt_п, как простои АЛ, приходящиеся на еди­ницу выпущенной продукции (мин/шт.).

В этом случае фактическая производительность Q_ф = р∙γ / (t_р + t_в + Σt_п).

При расчете производительности станочных систем, работающих в условиях средне- и мелкосерийного производства, когда обрабатываются различные заготовки определенной номенклатуры, могут применяться в общем случае два основных метода: по типовой детали-представителю; по интегральным характеристикам комплекта изделий, закрепленных для об­работки на станочной системе.

Расчеты требуемой производительности выполняют на этапах анализа заявки на проектирование и разработки технического задания обычно только для показателей фактической производительности.

Расчеты ожидаемой производительности АЛ осуществляют на раз­личных этапах их проектирования, они различаются степенью точности и достоверности результатов в зависимости от проработанности технических решений и достоверности исходных данных, которые являются следствием обобщения результатов исследований работоспособности аналогичных действующих линий в условиях эксплуатации. Эти расчеты также выпол­няют только для фактической производительности.

Расчеты реальной производительности АЛ проводят на этапах их сда­чи - приемки и промышленной эксплуатации. При этом определяют все показатели производительности (цикловая, техническая и фактическая), коэффициенты использования, технического использования, загрузки.

Целью данных расчетов является оценка соответствия требуемых и реально достигаемых показателей производительности. На основе этого принимают решение о приемке АЛ или о ее доработке, модернизации и т.д. Оценивают резервы повышения производительности АЛ.

Показатели экономической эффективности станочных систем могут быть абсолютными и относительными (сравнительными). Последние слу­жат для сопоставления проектируемого варианта с базовым или различных проектных вариантов между собой.

Значения показателей экономической эффективности АЛ могут быть трех видов: требуемые, ожидаемые и реальные.

Требуемые показатели экономической эффективности - это задавае­мые значения конкретных показателей, рассчитываемые исходя из обеспе­чения служебного назначения изготавливаемой продукции.

Ожидаемые показатели экономической эффективности - это расчет­ные, прогнозируемые значения показателей проектируемых АЛ,

Реальные показатели экономической эффективности - это значения показателей действующих АЛ в реальных условиях эксплуатации. Важнейшие показатели сравнительной экономической эффективности следующие: срок окупаемости дополнительных капиталовложений; коэф­фициент эффективности дополнительных капиталовложений; приведенные затраты и, как результат, годовой экономический эффект.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие машиностроения связано с прогрессом станкостроения, поскольку металлорежущие станки вместе с некоторыми другими видами технологических машин обеспечивают изготовление любых новых видов оборудования.

Совершенствование современных станков должно обеспечивать повышение скоростей рабочих и вспомогательных движений при со­ответствующем повышении мощности привода главного движения.

Повышение скоростей рабочих и вспомогательных движений связано с дальнейшим совершенствованием привода станков, шпин­дельных узлов, тяговых устройств и направляющих прямолинейного движения.

Современные металлорежущие станки обеспечивают исключи­тельно высокую точность обработанных деталей. Ответственные по­верхности наиболее важных деталей машин и приборов обрабаты­вают на станках с погрешностью в долях микрометров, а шерохова­тость поверхности при алмазном точении не превышает сотых долей микрометра. Требования к точности в машиностроении постоянно растут, и это, в свою очередь, ставит новые задачи перед преци­зионным станкостроением.

Использование гибких производственных систем, состоящих из набора станков, манипуляторов, средств контроля, объединенных общим управлением от ЭВМ, дает возможность и в многономенклатур­ном крупносерийном производстве стимулировать научно-технический прогресс, быстрый и с минимальными затратами переход к новым, бо­лее совершенным образцам выпускаемой продукции. Переход от испо­льзования набора станков и других технологических машин к машин­ным системам в виде гибких производственных систем технологическо­го оборудования помимо повышения производительности труда корен­ным образом изменяет весь характер машиностроительного произ­водства. Создаются условия постепенного перехода к трудосбе­регающему производству при наивысшей степени автоматизации.

В настоящее время и в обозримом будущем потребуется создание новых моделей станков, станочных модулей, гибких производствен­ных систем, поэтому будущие специалисты в области САПР должны владеть основами конструирования станков и их важнейших узлов. Для успешного применения вычислительной техники при конструи­ровании необходимо хорошо знать содержание процесса проектиро­вания всех видов станочного оборудования, владеть методами его моделирования и оптимизации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бушуев В.В. Основы конструирования станков. М.: Станкин, 1992. 520 с.

2. Детали и механизмы металлорежущих станков. В 2-х т. / Д.Н. Решетов, В.В. Каминская, А.С. Лапидус и др.; Под ред. Д.Н. Решетова. М.: Машиностроение, 1972.

3. Автоматизация производственных процессов в машиностроении: учеб. для втузов / Н. М. Капустин, П.М. Кузнецов, А.Г. Схиртладзе и др.; под ред. Н.М. Капустина. М.: Высшая школа, 2004. 415 с.

4. Машиностроение. Энциклопедия. / Ред. совет: К.В. Фролов (предс.) и др. Металлорежущие станки и деревообрабатывающее оборудование. Т. IV – 7 / Б.И. Черпаков, О.И. Аверьянов, Г.А. Адоян и др.; под ред. Б.И. Черпакова. 1999. 863 с.

5. Металлорежущие системы машиностроительных производств: учеб. пособие для студентов технических вузов / О.В. Таратынов, Г.Г. Земсков, И.М. Баранчукова и др.; под ред. Г.Г. Земскова, О.В. Таратынова. М.: Высш. шк., 1988. 464 с.

6. Металлорежущие станки: учеб. для машиностр. втузов / под ред. В.Э. Пуша. – М.: Машиностроение, 1985. 256 с.

7. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: справочник-учебник в 3-х т. Т. 1: Проектирование металлорежущих станков / Под ред. А.С. Проникова. – М.: Машиностроение, 1995. 444 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-ва МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГТУ «Станкин», 2000. 584 с.

9. Пуш В.Э. Конструирование металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1997. 390 с.

10. Схиртладзе А.Г. Технологическое оборудование машиностроительных производств: учеб. пособие для машиностроит. спец. вузов / А.Г. Схиртладзе, В.Ю. Новиков. Под ред. Ю.М. Соломенцева. М.: Высш. шк., 2001. 407 с.

11. Тарзиманов Г.А. Проектирование металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1980. 288 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................................3

1. Процесс проектирования

металлорежущих станков.................................................4

1.1. Общие сведения о металлообрабатывающих

станках.........................................................................4

1.2. Исходные данные для проектирования МРС..........8

1.3. Этапы проектирования станков................................8

1.4. Проектные критерии................................................11

1.5. Автоматизации проектирования.............................13

1.6. Основные методические принципы

автоматизированного проектирования..................15

1.7. Структура САПР МРС.............................................18

1.8. Оптимизация проектных решений.........................22

1.9. Связь конструирования

с технологией производства....................................31

2. Компоновка станков.......................................................32

2.1. Исходные данные к выбору компоновки...............32

2.2. Структурный анализ базовых компоновок............34

2.3. Выбор компоновки...................................................38

2.4. Компоновка станочных систем..............................41

2.5. Унификация и агрегатирование..............................45

3. Выбор технических характеристик станков.................47

3.1. Уточнение служебного назначения станков.........47

3.2. Диапазон рабочих скоростей..................................52

3.3. Особенности ступенчатого регулирования...........56

3.4. Скорости вспомогательных движений...................58

3.5. Мощность привода...................................................59

3.6. Выбор расчетных нагрузок....................................64

4. Проектирование и расчет приводов станков................65

4.1. Приводы главного движения..................................65

4.1.1. Назначение приводов главного движения...65

4.1.2. Виды приводов...............................................66

4.1.3. Требования к приво­дам.................................66

4.1.4. Виды и способы регу­лирования...................67

4.1.5. Особенности проектирования и расчета

привода главного движения станков............74

4.1.6. Определение мощности электродвигателя..75

4.2. Приводы подачи.......................................................84

5. Шпиндельные узлы.........................................................93

6. Корпусные детали...........................................................98

7. Ходовые винты и гайки................................................106

8. Станочные системы......................................................110

8.1. Классификация и основные типы

станочных систем...................................................110

8.2. Классификация и структура гибких

производственных систем.....................................119

8.3. Основные технико-экономические показатели...125

Заключение........................................................................135

Библиографический список.............................................137

Учебное издание

Корнеев Валерий Иванович

Пачевский Владимир Морицович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТОВ

И ОБОРУДОВАНИЯ