Проектирование и расчет манипуляторов
Характерными особенностями расчета манипуляторов являются:
- короткое время цикла работы.
- непостоянство массы и момента инерции исполнительных органов.
- большие динамические нагрузки, колебания и удары в механизмах приводов при разгоне, торможении, реверсе (т.е. при переходных режимах работы).
Приводы манипуляторов – это системы, состоящие из двигателя, передаточного механизма и устройства управления. В качестве двигателей используют гидро и пневмоцилиндры, гидропневмодвигатели с вращательным или касательным движением. К передаточным механизмам относят редукторы, зубчато-реечные, кривошипные, кулачковые и т.д. передачи.
Переходные режимы работы манипуляторов характеризуются законом изменения скорости V их движения за время t.
Наибольшее быстродействие механизма достигается, когда переходный процесс состоит из двух этапов:
- разгон с максимально возможным ускорением до скорости Vmax;
- торможение с наибольшим замедлением до полной остановки.
Особенностью манипуляторов является их неуравновешенность из-за переменности масс исполнительных органов, вследствие чего возникает дополнительный момент Мн – момент неуравновешенности.
Схема определения Мн для автооператора механизма смены инструментов с горизонтальной осью вращения.
,
где
m1, m2 – масса инструментов;
R – расстояние между осями автооператора и инструмента;
φ – угол наклона автооператора;
g – ускорение силы тяжести.
В зависимости от положения автооператора направление действия Мн может меняться.
Характеристики приводов с гидоропневмоцилиндрами выбирают по расчетным значениям параметров исполнительных механизмов манипуляторов: наибольшей скорости Vmax и предельной нагрузке Fmax.
По этим значениям и выбранному давлению Р определяют диаметр цилиндра:
,
где
в – коэффициент типа уплотнений штока цилиндра (1,1÷1,5).
Затем вычисляют расход жидкости:
,
где
S – площадь поршня.
По каталогу определяют ближайший типоразмер гидро или пневмоцилиндра.
ЛЕКЦИЯ 11
11. СТАНКИ С ЧПУ. ОБРАБАТЫВАЮЩИЕ ЦЕНТРЫ
11.1.1. Эффективность перехода в станках к ЧПУ
11.1.2. Обрабатывающие центры (ОЦ).
11.1.3. Особенности кинематических схем, устройства и компоновок станков с ЧПУ
11.1.4. Шпиндельные группы
11.1.5. Привод подачи.
11.1.6. Накопители инструментов
11.2. Устройство, кинематика и работа обрабатывающего центра
мод. ИР-500МФ4
11.2.1. Назначение и возможности станка
11.2.2. Устройство станка
11.2.3. Кинематика станка. Назначение гидроцилиндров
11.2.4. Устройство и работа некоторых механизмов станка
11.3. Цикл работы станка
11. СТАНКИ С ЧПУ. ОБРАБАТЫВАЮЩИЕ ЦЕНТРЫ
Станки и станочные комплексы с числовым программным управлением (ЧПУ) обеспечивают автоматизацию серийного производства и сочетают в себе производительность и точность станков-автоматов и гибкость универсального оборудования.
11.1. 1. Эффективность перехода в станках к ЧПУ
Внедрение станков с ЧПУ было первым этапом на пути автоматизации мелкосерийного и серийного производства и дало возможность повысить производительность за счет значительного сокращения времени протекания технологических процессов.
Эффективность станков с ЧПУ характеризуется:
- ростом производительности;
- значительным числом заменяемых универсальных станков;
- сокращением сроков подготовки производства и технологической оснастки;
- уменьшением брака;
- сокращением или полной ликвидацией разметочных и слесарно-пригоночных работ и т.д.
Важным аспектом эффективности использования станков с ЧПУ явились: значительное уменьшение доли тяжелого ручного труда рабочих, сокращение потребности в квалифицированных станочниках-универсалах, изменение состава работников металлообрабатывающих цехов.
Опыт использования станков с ЧПУ показал, что эффективность их применения возрастает при повышении точности, усложнении условий обработки, при необходимости в процессе обработки взаимного перемещения детали и инструмента в пяти-шести координатах, при многоинструментной и многооперационной обработке деталей с одного установа.
11.1.2. Обрабатывающие центры (ОЦ).
ОЦ - это станки с ЧПУ и устройствами для автоматической смены инструмента.
На основе создания таких систем решается проблема обеспечения круглосуточной работы оборудования. При этом открываются возможности обеспечения работы производственного персонала, подготавливающего работу производственной системы, главным образом в первую, наиболее продуктивную смену; во вторую и третью смены работает малочисленный штат дежурных.
11.1.3. Особенности кинематических схем, устройства и компоновок станков с ЧПУ
Переход в станках к ЧПУ выявил возможность принципиального изменения конструкции собственно станка. К таким изменениям относятся:
- полная автономность кинематических цепей приводов перемещений всех рабочих органов станка;
- упрощение кинематических схем приводов подач;
- простое осуществление через числовую программу сложного во времени и точного по положению взаимодействия практически неограниченного числа координат перемещений и вспомогательных механизмов;
- введение автоматической смены инструментов, шпиндельных коробок, обрабатываемых заготовок;
- простое построение станка по компоновке, обеспечивающей наиболее рациональное (по производительности, стоимости и т.п.) его использование при обработке данного класса деталей на основе использования нормализованных узлов и конструктивных модулей.
11.1.4. Шпиндельные группы
В состав шпиндельной группы входят:
- двигатель;
- коробка скоростей или переключений;
- шпиндельный узел.
В качестве регулируемых приводов используются:
- электроприводы с ДПТ бесступенчатого регулирования в сочетании с несложными коробками скоростей
- электроприводы с частотным регулированием, использующие асинхронные электродвигатели;
- гидроприводы с машинным (объемным) регулированием.
В конструкции шпинделей для инструментов станков с ЧПУ вводятся устройства для автоматического или полуавтоматического зажима режущего инструмента.
11.1.5. Привод подачи.
В станках с ЧПУ применяются приводы с разомкнутой системой управления (с шаговыми двигателями) и с замкнутой СУ (следящие). Шаговые приводы подачи строятся на основе несилового шагового двигателя и гидроусилителя или с применением силового шагового электродвигателя.
Следящие приводы подачи состоят из исполнительного электродвигателя, зубчатой передачи или редуктора для снижения частоты вращения и увеличения Мкр на ходовом винте, передачи винт-гайка и системы обратной связи по скорости и по положению рабочего органа станка
11.1.6. Накопители инструментов
Системы для хранения и смены инструментов на ОЦ в зависимости от исполнения накопителей можно разбить на следующие три основные группы:
а) накопителем служит револьверная инструментальная головка, в гнездах которой располагаются инструменты; один из них находится в рабочем положении и приводится в движение, остальные шпиндели неподвижны. Число инструментов в револьверной головке невелико (8, 10, 12).
б) накопителем служит магазин или несколько магазинов, из которых берется инструмент и ставится в рабочий шпиндель станка. Смена инструментов в этом случае усложняется, но емкость магазинов больше, чем головок - 30-80, иногда 100, 120 и более инструментов (до 180). Смена инструментов осуществляется обычно манипулятором, который захватывает инструмент из накопителя и передает его по назначению.
в) накопителями служат револьверная головка и магазин (комбинированные накопители).
11.2. Устройство, кинематика и работа обрабатывающего центра мод. ИР-500МФ4
11.2.1. Назначение и возможности станка
Сверлильно-фрезерно-расточный станок модели ИР-500МФ4 с контурно-позиционной системой ЧПУ и автоматической сменой инструментов и заготовок предназначен для обработки корпусных деталей.
На станке можно производить сверление, зенкерование, развертывание, растачивание точных отверстий по точным координатам, фрезерование по контуру с линейной и круговой интерполяцией, нарезание резьб метчиками.
Инструмент устанавливается в шпинделе бабки и может получать подачи и перемещения:
вертикальные - вместе с бабкой
продольные - вместе со стойкой
поперечные - столу с заготовкой.
11.2.2. Устройство станка
Узлы и детали:
1 - основание, 2 - стойка, 3 - шпиндельная бабка, 4 - шпиндель, 5 - дисковый инструментальный магазин лучевого типа с 30 кодированными гнездами, 6 - инструментальные оправки, 7,8,9 - манипулятор (корпус, выдвижной стакан поворотной гильзы, двухзахватная рука), 10 - сани стола, 11 - поворотный стол, 12 - плита зажима спутника, 13 - спутник (стол-спутник), 14 - обрабатываемая деталь, 14 - корпус устройства смены спутников, 16 - поворотная платформа с двумя рольгангами, 17 - Т-образные захваты для перемещения спутников.
11.2.3. Кинематика станка. Назначение гидроцилиндров
В станке использованы высокомоментные двигатели постоянного тока. Для перемещений стойки, бабки и стола применены одинаковые приводы.
11.2.4. Устройство и работа некоторых механизмов станка
а) зажим инструментальной оправки в шпинделе
б) привод инструментального магазина
в) автоматическая смена инструмента
г) поворотный стол, располагающийся на санях
д) зажим спутника на столе
е) устройство автоматической смены спутников
11.3. Цикл работы станка
Станок модели ИР-500МФ4 является широкоуниверсальным станком, но автоматическая смена инструмента и спутников осуществляется в процессе работы станка по постоянным циклам.
А. Цикл автоматической смены инструмента
До начала цикла автоматической смены инструмента механизмы и рабочие органы находятся в исходных положениях, а именно:
а) инструментальный магазин зафиксирован;
б) манипулятор опущен;
в) рука манипулятора втянута.
Цикл осуществляется в следующей последовательности:
1. Расфиксация инструментального магазина;
2. Поворот магазина для поиска инструмента;
3. Фиксация инструментального магазина;
4. Подъем манипулятора и захват им подведенного инструмента;
5. Выдвижение руки - вывод инструмента из магазина;
6. Опускание манипулятора;
7. Втягивание руки манипулятора;
8. Отвод стойки от стола;
9. Подъем шпиндельной бабки к манипулятору и захват им инструмента, находящегося в шпинделе;
10. Отжим инструмента в шпинделе;
11. Выдвижение руки - вывод инструмента из шпинделя;
12. Поворот руки манипулятора;
13. Втягивание руки и ввод очередного инструмента в шпиндель;
14. Зажим инструмента в шпинделе;
15. Опускание шпиндельной бабки;
16. Расфиксация инструментального магазина;
17. Поворот магазина для поиска нужного гнезда;
18. Фиксация инструментального магазина;
19. Выдвижение руки манипулятора;
20. Подъем манипулятора;
21. Втягивание руки и установка инструмента в магазин;
22. Опускание манипулятора.
Б. Цикл автоматической смены спутников
1. Подъем поворотного стола II;
2. Поворот стола в исходную позицию;
3. Опускание поворотного стола;
4. Подвод стола в позицию выгрузки;
5. Выдвижение захвата;
6. Отжим спутника на столе станка и подъем спутника;
7. Перемещение спутника со станка на платформу;
8. Поворот платформы на 180 град.;
9. Перемещение спутника с заготовкой с платформы на стол станка;
10. Зажим спутника на столе станка;
11. Возврат захвата.