книги из ГПНТБ / Мясников, В. А. Программное управление оборудованием

В [111 описан автоматизированный участок АУ1 с групповым программным управлением для комплексной механической обра­ ботки деталей типа тел вращения: валов длиной 100—750 мм и диа­ метром 20—160 мм; гильз, стаканов и втулок длиной и диаметром до 250 мм; дисков, фланцев, зубчатых колес длиной до 250 мм и диа­ метром 50—320 мм; кулачков, эксцентриков н других деталей со сложными криволинейными поверхностями. На участке кроме 10 единиц основного оборудования, указанного на рис. 208, имеется транспортно-накопительная система, система инструмен­ тального обеспечения и развитая система управления.

Склад транспортно-накопительной системы представляет собой трехъяруспые стеллажи, состоящие из десяти (по числу станков) секций, по четыре вертикальных ряда ячеек в каждой секции. Каж­ дая ячейка вмещает две тары. Вместимость склада — 200 тар с де­ талями, что достаточно для восьмичасовой автономной работы участка. Одна из ячеек в начале склада предназначена для приема заготовок; из другой ячейки в конце склада выдаются готовые де­ тали. Одна из нижних ячеек каждой секции занята тележкой, транспортирующей тару с заготовками к станку, другая тележка с деталями находится в это время у станка. По окончании обра­ ботки всей партии деталей тележкп меняются местами. Ячейки склада обслуживаются электроштабелером 2, а работой транс­

портно-складской системы управляет ЭВМ.

ЭВМ содержит информацию о поступлении деталей и заготовок на склад, о их местонахождении в каждый момент времени; кроме того ведет учет обработанных и необработанных деталей. ЭВМ рас­ считывает последовательность обработки деталей на станках с уче­ том наличия нужных заготовок на складе, а также режущего ин­ струмента в системе инструментального обеспечения.

В качестве основного критерия при определении оптимальной последовательности обработки принято минимальное время пере­ наладки станков (для каждого из них оно составляет 40—60 мин). Оптимизация загрузки станков по указанному критерию сокращает время переналадки участка в три-четыре раза.

Определено, что для токарной обработки деталей на участке АУ1 требуется около 250 единиц различного инструмента. Поэтому, например, для автоматов типа 1715МФЗ установлен транспортернакопитель режущего инструмента (ТНРИ). ТНРИ — транспор­ тер цепного типа с гнездами для инструментальных блоков. Цепь замкнута в вертикальной плоскости. Все инструментальные блоки могут устанавливаться в любое гнездо магазина, так как хвосто­ вики блоков помечены определенным кодом. Код считывается дат­ чиками системы смены инструмента, чем обеспечивается отыскание инструмента, заданного программой.

Система группового программного управления содержит упро­ щенные индивидуальные пульты управления станками и централь­

431

няет общее управление работой участка, осуществляет диспетчери­ зацию и учет производства.

Рассмотренные выше участки не являются полностью автомати­ ческими. Наиболее полно автоматизирован участок, показанный на рис. 208, но станки на этом участке по-прежнему обслужи­ ваются рабочими.

Структура комплексно-автоматизированного участка

Рассмотрим полностью автоматизированный участок обработки деталей со сложными фасонными поверхностями и со специфиче­ скими задачами контроля, требующими анализа результатов с по­ мощью ЭВМ. Таким экстремальным случаем является, например, обработка турбинных лопаток — деталей, относящихся к одним из самых сложных изделий машиностроения. На этом примере хорошо видны сложности, которые могут встретиться на пути создания пол­ ностью автоматизированных производств.

На рис. 209 изображена планировка участка для обработки крупных направляющих турбинных лопаток массой до 80 кг и длиной до 1350 мм. За участком закреплена обработка лопаток нескольких десятков типоразмеров. Планировка является гипоте­ тической, но основана на реальной рабочей технологии. Здесь предусмотрен весь комплекс средств, обеспечивающих полную ав­ томатизацию процесса изготовления лопаток.

Станок 1 предназначен для фрезерования торцов и сверления

в них двух конусных базовых отверстий. В эти конусные отверстия устанавливается лопатка на всех остальных станках, кроме пред­ последнего, где производится отрезка технологических припусков. Другие станки осуществляют обработку рабочего профиля лопа­ ток, представляющего собой сложную геометрическую поверх­ ность. Обработка ведется в трех или четырех координатах. Так как цикл обработки профиля велик (составляет 3—10 ч) и синхрониза­ ция с остальными операциями возможна лишь при параллельной обработке большого числа лопаток, для обработки используются многошпиндельные станки. Станки 10 выполняют сверление зали­ вочных отверстий и фрезерование торцов. На станках 11 произ­

водится отделка рабочей поверхности для достижения 7—8 класса чистоты поверхности.

Рассмотрим вспомогательные операции и оборудование для их выполнения. Транспортные операции выполняются замкнутым конвейером, для обслуживания станков предусмотрены роботы. Заготовки на участок поступают по конвейеру 8 и переносятся роботом 2 на станок 1. После окончания базовой операции робот 2 вновь укладывает лопатку на конвейер, затем робот 6 переносит ее с конвейера на станок 5. Если этот станок занят, то передача

происходит на любой из свободных станков данной операции. Возможен вариант промежуточной укладки в буферный мага­ зин 7.

Для автоматизации адресной передачи грузов наиболее удобен вариант, не связанный со сменяемым адресоносптелем, выпол­ ненным либо в виде перфокарты, либо в виде набора штырей и т. и. Задача решается намного проще в том случае, когда каждая те­ лежка конвейера несет на себе постоянный несменяемый кодирую­ щий элемент, предназначенный для считывания его магнитными головками. Число вариантов кодов равно числу обслуживаемых адресов. Число тележек с одинаковым кодом назначается в соот­ ветствии с потребной интенсивностью снабжения данного адреса. На трассе конвейера в зоне действия роботов установлены датчики для считывания кода тележек, а также датчики, считывающие на­ личие груза. Если код тележки совпадает с кодом адреса и второй датчик показывает наличие груза, то поступает команда для вы­ полнения операции «взять груз», осуществляемой роботом. Кон­ вейер движется непрерывно с постоянной скоростью, и робот захва­ тывает груз на ходу. Для выполнения этой операции скорость за­ хвата синхронизируется со скоростью тележки. Таким образом, чтобы направить заготовку, деталь или инструмент к какомунибудь станку, достаточно поместить груз на тележку с кодом, соответствующим коду заданного станка. Перенастройка датчика на опознание того или иного кода производится центральной си­ стемой управления в соответствии с технологическим марш­ рутом.

Рассмотрим роль роботов в данной автоматической линии. Взаимодействие с конвейером — это лишь одна из их функций. Кроме этого роботы производят загрузку и разгрузку станков; уборку стружки на станках; затяжку тех креплений, которые нельзя по тем или иным причинам механизировать; смену инстру­ мента; загрузку и разгрузку местного магазина, а также средств контроля. Среди перечисленных задач нет таких, которые были бы не под силу роботам первого поколения. Внешняя среда, окружаю­ щая робот, неизменна и, следовательно, алгоритмы поведения могут быть строго детерминированными. Адаптация требуется только для операции взятия предметов на ходу, без остановки кон­ вейера. Неточность положения предмета, неповторяемость его положения могут внести в жесткий алгоритм такую помеху, кото­ рая приведет к сбою механизмов: либо предмет не будет взят, либо сброшен на пол, либо неправильно установлен на станок. Задача адаптации — помочь захвату правильно сориентироваться по от­ ношению к положению предмета на конвейере и внести необходи­ мую коррекцию перёд установкой предмета на станок.

Одним из важных требований к конструкции роботов является обеспечение автоматической смены типа захвата в зависимости от конфигурации захватываемого предмета. Однако вряд ли целесо­ образно разрабатывать абсолютно универсальный захват, способ­ ный удерживать детали самой различной конфигурации. Смена за­ хвата неизбежна. Это подтверждается и опытом эксплуатации робо­ тов первого поколения на линиях с переменной номенклатурой.

434

Фирмы-изготовители снабжают роботы целым набором захва­ тывающих устройств с унифицированным элементом для крепле­ ния его на кистевом механизме. Для целей автоматических произ­ водств может быть использован принцип револьверной головки, если речь идет о смене двух типов захвата; при большем ко­ личестве захваты должны храниться в специальном магазине и соединяться с кистевым механизмом с помощью автоматического замка.

Второе важное требование — предельная экономность по зани­ маемой площади. Пространство вокруг оборудования достаточно загромождено. В непосредственной близости к станкам находятся местный магазин заготовок и инструмента, средство контроля, транспортное средство межоперационной передачи, в отдельных случаях — шкафы управления и станции гидросистемы. В то же время роботы Unimate или Versatran требуют такой же площади, как и основное оборудование. Причина заключается в том, что для перемещения захвата по радиусу применены горизонтально распо­ ложенные поступательные пары. Здесь предпочтительнее исполь­ зовать шарнирные механизмы, складывающиеся при уменьшении радиуса, что приводит к значительному уменьшению площади, необходимой для робота.

Третье требование относится к системе управления роботом. При функционировании автоматической линии необходимо мини­ мизировать потоки информации, поступающие к роботу от цен­ тральной системы управления. Робот в силу своей многозвенности имеет шесть-семь управляемых приводов: Это более чем вдвое пре­ вышает число приводов основного оборудования. И те, и другие приводы в общем случае управляются центральной системой, но робот загружает эту систему больше, чем основное оборудование. Поэтому, в целях экономии, было бы желательно часть приводов робота перевести на автономное управление, используя принцип отслеживания заданного углового положения в абсолютном про­ странстве. Датчиком в этом случае может быть, например, устрой­ ство, связанное с гироскопом. Это относится прежде всего к приво­ дам механизма захвата.

Перечисленные требования представляются наиболее общими и могут быть дополнены другими, отвечающими каждому кон­ кретному производству.

Бесперебойная работа автоматического производства немыс­ лима без четкого снабжения режущим инструментом. Даже при неполной автоматизации, как видно из [7, 10, 11, 24, 36], этому уделяется большое внимание.

В данном случае, инструмент подготавливается в инструмен­ тальной кладовой в зависимости от сменного задания. Подготовка состоит не только в подборе номенклатуры и количества инстру­ ментов из расчета на всю смену, но и в установке инструментов в специальные блоки, обеспечивающие заданное положение отно­ сительно начальной точки программы. Таким образом инструменты

поступают на станки выверенными относительно базовых поверх­ ностей блоков на специальных оптических приборах.

Укладка в ячейки центрального магазина ведется в произ­ вольном порядке (в любую свободную ячейку). Опознание необхо­ димого инструмента производится захватом робота путем сканиро­ вания вдоль всех ячеек с одновременным считыванием кодов, нане­ сенных на блоках, например, в виде магнитных меток. Смена инструментов на станках осуществляется принудительно, по времени, с упреждением момента достижения допустимого износа. В случае поломки система управления станком выдает сигнал на внеочередной вызов инструмента.

Обязательным элементом механического производства являются станочные приспособления. Для автоматизированных производств эти приспособления безусловно должны быть групповыми, пере­ налаживаемыми. Применение сменных деталей и узлов целесооб­ разно свести до такого минимума, чтобы их можно было хранить непосредственно у станка. Это избавит систему управления от ре­ шения задачи по доставке нужных элементов приспособлений в нужное время. Для обработки турбинных лопаток такая задача выполнима и частично уже решена в рамках обычного производ­ ства. Учитывая, что групповая технология и агрегатированные сборные приспособления применяются повсеместно, следует лишь подчеркнуть обязательность их разработки и в процессе создания любого автоматизированного производства. Конструкция приспо­ соблений должна быть совместимой с конструкцией робота, т. е. свободная зона в приспособлении вокруг детали должна допускать размещение захвата робота, вводимого туда при установке и снятии детали.

Контроль размеров при обработке изделий на станках с ПУ имеет свою специфику. Если станок исправен, заданная про­ грамма отработана, инструмент правильно установлен и не зату­ пился, заготовка в приспособлении сбазирована правильно, то исполнение заданных размеров гарантировано. Каждый из пере­ численных факторов может быть с достаточной надежностью про­ контролирован теми или иными датчиками и методами. Поэтому средства контроля нужны для отбраковки и необходимы для на­ ладки управляющей программы с учетом нежесткостей системы и других систематических погрешностей; осуществления статисти­ ческого контроля; накопления статистики по износу инструмента (для точного определения момента принудительной его смены); выявления возникающих изменений в систематических погрешно­ стях, что необходимо для коррекции программы (элемент адап­ тации).

На рис. 210 показана система контроля, используемая при обработке сложных криволинейных поверхностей.

Наиболее сложны измерения рабочего профиля турбинных лопаток с помощью приборов 4, 9 (рис. 209). Для размеров рабо­

чей части лопаток паровых и газовых турбин характерна слож-

436

мая система допусков, затрудняющая непосредственную оценку результатов измерения. Действительно, измерительная головка дает информацию лишь о величине суммарного отклонения той

437

Таким образом, для решения задачи в полном объеме требуется обязательное участие ЭВМ. Результаты решения используются для корректировки программы обработки (подналадка техноло­ гического оборудования) п для отбраковки. В последнем случае параметры, вышедшие за пределы допуска, печатаются.

Измерительный прибор 12 (см. рис. 209) предназначен для кон­

троля торцов лопаток. Эти поверхности представляют собой комбинацию двух или трех плоскостей, расположенных под ту­ пыми углами (в отдельных случаях они являются фасонными). Измерение осуществляется несколькими линейными индуктив­ ными датчиками, предварительно настроенными по настроечному калибру. Напряжение датчиков пропорционально величине от­ клонения, знак отклонения определяется по характеру сдвига фазы. Эта информация может быть легко преобразована в ци­ фровую форму и воспринята центральной системой для даль­ нейшей обработки. Для этого могут быть использованы аналогоцифровые преобразователи управляющих вычислительных ма­ шин.

Сбор информации о состоянии механизмов осуществляется большим количеством различных датчиков. Положение столов, суппортов и шпинделей станков, а также звеньев роботов контро­ лируется дискретными датчиками, органически входящими в си­ стему ПУ. Их число точно равно числу исполнительных приво­ дов, работающих в режиме цифровой следящей системы. Цена деления соответствует 0,01 мм линейного перемещения для стан­ ков и — 1,0 мм для роботов. Предельное положение рабочих органов контролируется аварийными бесконтактными выключа­ телями обычного типа.

На конвейере вдоль всей трассы установлены датчики кода тележки с восемью магнитными головками. Это дает возможность закодировать в двоично-десятичном коде от 10 до 99 адресов. Там же на трассе установлены датчики груза. Это обычные бес­ контактные выключатели, реагирующие на положение подвески, закрепленной упруго, благодаря чему под действием груза она опускается. Значительное количество датчиков предусмотрено для контроля занятости ячеек магазинов и станков — это также стандартные конечные выключатели.

Более сложные и оригинальные конструкции необходимы для контроля процесса резания. Для этого можно применять тензо­ метры, сигналы которых используются в системе адаптации или для выявления цельности инструмента. Определить частичный выход инструмента из строя не так просто, поскольку усилие резания (даже в нормальных условиях, особенно при фрезерова­ нии) колеблется беспорядочно. Чтобы отличить нормальное со­ стояние от аварийного, используется корреляционный анализ. Важным критерием целостности инструмента является характер звука при обработке, поэтому не исключено применение акусти­ ческого датчика.

438

Датчики измерительных устройств для контроля плоскостей имеют прямые толкатели, а для криволинейных поверхностей — снабжены дисковыми наконечниками и передающим механизмом типа конус-шар. Это позволяет измерить модуль отклонения в на­ правлении нормали к поверхности. Преобразователи измери­ тельных головок являются индуктивными и работают на повы­ шенной частоте.

В рассматриваемом производстве общее количество датчиков всех типов, приходящихся иа единицу технологического обору­ дования, составляет 40 единиц. Этим определяется необходимое число каналов иа входе системы управления.

Система переработки информации построена на принципах, рассмотренных в предыдущих главах. Некоторая специфика, связанная с обработкой сложных поверхностей, приводит к необ­ ходимости предварительно рассчитывать программу на ЭВМ типа Мннск-32 или ЕС-1040. В некоторых случаях, когда полная про­ грамма слишком велика, требуется организовать постоянный диалог, при котором машина высшего уровня готовит программу обработки части поверхности и, пока эта программа реализуется, ЭВМ готовит следующий участок, записывая новую информацию на месте стертой.

Высший уровень управления решает также задачи техноло­ гической подготовки и маршрута обработки. Исполнительными элементами в этом случае служат приводы станков, роботов и приборов (если последние имеют ЧПУ). Сюда же следует отмести и датчики конвейера, считывающие код тележек, поскольку они постоянно перенастраиваются центральной системой, и, наконец, регистрирующие устройства измерительных приборов, получаю­ щих из центра величину допустимого отклонения по всем контро­ лируемым параметрам.

Рассмотрим пример полностью автоматизированного участка обработки направляющих лопаток небольших размеров: длиной до 400 мм, массой до 10 кг. Число типоразмеров лопаток — около 300, это предопределяет частую перенастройку оборудования. Планировка участка представлена на рис. 211, где шесть одина­ ковых универсальных фрезерных станков с ЧПУ высокой сте­ пени взаимозаменяемости выполняют фрезерование торцов, ра­ бочей поверхности, отверстий и т. д. В отличие от предыдущего участка, заготовки поступают не прямо со склада, а привозятся к началу конвейера в таре. Инструменты также привозятся и за­ ряжаются в одни центральный магазин. В остальном работа обо­ рудования и системы управления совершенно аналогична.

Анализируя описание приведенных выше участков, можно прийти к определенной концепции, условно и сокращенно име­ нуемой «ТРАМАСТАН» (ТРАнспорт-МАнипулятор-СТАНок). Су­ щность этой концепции состоит в том, что наиболее гибким соче­ танием, обеспечивающим полную автоматизацию широкого класса производств, является сочетание транспорта с автоматическим

439

адресованием, роботов-манипуляторов и технологического обору­ дования с ЧПУ, в частности, станков с ЧПУ. Существенное преи­ мущество ТРАМАСТАНа перед линией, набранной из обрабаты­ вающих центров (ОЦ), состоит в следующем. Станки обычного типа во много раз дешевле ОЦ и в то же время сочетание с роботом превращает их в тот же ОЦ, так как смена инструмента обеспечи­ вается. Если набор инструментов в ОЦ ограничен, вместимостью магазина и зарядкой последнего на каждом станке должен зани­ маться человек, то в ТРАМАСТАНе имеет место централизация обслуживания и автоматизация доставки и смены инструмента на рабочих местах. От технологического оборудования требуется наличие устройств автоматического схвата и освобождения ин-

<2 ^:

з ”4 } / и "Ч) и (й) Х ) и X )

1 2

Рис. 211. Автоматическое /производство мелких направляющих лопаток (проектная схема):

/ — центральный магазин; 2 — подвесной конвейер с адресной доставкой; 3 — универсальный станок с ЧПУ; 4 — робот-манипулятор; 5 — измерительный при­ бор; М — местный магазин; Т3 — тара заготовок; ТБ — тара брака; Т — тара

готовых деталей

струмента. Это уже учитывается в некоторых серийных станках, например, в модели 6Р13ФЗ Горьковского завода.

У ТРАМАСТАНа также выше коэффициент использования обо­ рудования. Универсальный ОЦ обладает избыточными возмож­ ностями по, отношению к данному конкретному' производству, а специальные ОЦ слишком дороги. Максимального сближения конкретной технологии п технологических возможностей обору­ дования легче и дешевле достичь набором обычных станков. Темп выдачи деталей у ТРАМАСТАНа также’ выше, поскольку одно­ временно обрабатывается несколько деталей.

Но одним из главных преимуществ, по-видимому, следует счи­ тать компоновочную гибкость. Как показано на рис. 209 и рис. 211, автоматизированные участки скомпонованы из однотипных вспо­ могательных элементов (модулей), позволяющих легко составить широкий класс автоматизированных линий. К числу функцио­ нальных модулей относятся: конвейер, робот-манипулятор, ма­ газин, средство контроля, тара. В свою очередь каждый из функ­ циональных модулей может состоять из ряда конструктивных модулей, позволяющих строить конструкцию оптимальной слож­ ности и нужных размеров. Например, звенья робота могут со­ стоять из секций, что позволяет изменить длину руки. Конвейер также секционируется по длине. Магазины набираются из отдель-

440