Автоматизация ЧПУ станков

Автоматизация ЧПУ станков является важной характеристикой оборудования. Она зависит от степени универсальности оборудования, так как это влияет на способы, формы и уровень автоматизации.

Под автоматизацией понимают совокупность мероприятий по разработке технологических процессов и созданию высокопроизводительных автоматически действующих средств производства, освобождающих человека от всех работ, связанных с выполнением технологического процесса и оперативного управления им (автоматизация - это самоуправление). Автоматизация ЧПУ станков может быть частичной и полной (или комплексной). Иногда комплексная автоматизация, включающая полную обработку изделия (от заготовки до готовой продукции), может быть осуществлена на одном автомате, например, изготовление из прутка винта со шлицем на одношпиндельном токарно-револьверном автомате при наличии шлицефрезерного устройства. Чаще всего для комплексной автоматизации требуется создание автоматических линий, цехов и заводов.

Все способы автоматизации обработки металлов резанием можно разделить на два вида: жесткая автоматизация и гибкая автоматизация.

Жесткая автоматизация станков применяется исключительно в массовом и крупносерийном производстве и базируется на применении специальных и специализированных станков, где переход на другой вид изделия требует большой затраты времени. Однако подавляющая часть продукции выпускается небольшими партиями, что связано с непрерывным прогрессом техники, уменьшением сроков морального износа оборудования, быстрой сменяемостью объектов производства. Так, в США примерно 90 % производства приходится на небольшие партии (менее 25 шт.). Достаточно сказать, что к единичному и мелкосерийному производству относится почти все тяжелое машиностроение (производство крупных и уникальных станков, судо-, турбо-, авиастроение и т. д.).

Автоматы и полуавтоматы различного технологического назначения появились давно. Автоматизация движения в таких станках осуществляется различного рода кулачками, командоаппаратами, коноидами, шарнирами и другими кинематическими элементами, задающими не только величину, но и скорость перемещения рабочего органа. Недостатки таких станков: износ кулачков, что приводит к снижению точности; сложность переналадки и длительность регулировки. Однако из-за высокой надежности и простоты они являются мощным средством автоматизации.

В настоящее время становится актуальной автоматизация станков для единичного и мелкосерийного производств, сочетающая высокую производительность автоматов и полуавтоматов с широкими технологическими возможностями станков в ЧПУ при их быстрой переналадке. В этом и заключается смысл гибкой автоматизации.

Характерный пример гибкой автоматизации — копировальный станок. Однако автоматизация на основе копировальных станков со следящим приводом осложняется большими затратами времени на изготовление шаблонов и копиров (несколько месяцев). Учитывая тот факт, что в последнее время возросла потребность в изготовлении фасонных изделий сложной и часто изменяемой формы, возникла потребность в более гибких и мобильных системах управления, к которым относятся системы ЧПУ.

В зависимости от вида производства для осуществления автоматизации требуются различные средства (рис. 1). Если в условиях жесткой автоматизации при массовом и крупносерийном производстве обработка несложных деталей осуществляется на станке-автомате, например, детали тел вращения, более сложных корпусных деталей — на однопозиционном или многопозиционном агрегатном станке, а еще более сложных деталей — на автоматической линии, то в условиях гибкой автоматизации при серийном, мелкосерийном и единичном производстве несложных деталей требуется автоматизированный станок с ЧПУ, более сложных — многооперационный станок, а еще более сложных - гибкая станочная система.

Рис. 1. Иерархия уровней и средств автоматизации в различных видах производства

Единицей основного оборудования как средства автоматизации является металлорежущий станок, представляющий систему, состоящую из нескольких функциональных подсистем (рис. 2).

Подсистема манипулирования обеспечивает загрузку и зажим заготовок, разжим, перемещение и разгрузку готовых изделий, смену режущих инструментов, приспособлений и рабочих органов станка. Подсистема управления на основе входной внешней информации (чертеж, маршрутная технология, управляющая программа) и дополнительной внутренней информации от контрольных и измерительных устройств обеспечивает правильное функционирование всех остальных подсистем в соответствии с поставленной задачей. Текущая информация поступает в подсистему управления от соответствующих преобразователей (датчиков) подсистемы контроля. Выходная информация содержит сведения о фактических параметрах обработанной детали.

Рис. 2. Структурная схема станка ЧПУ: J0, J1 – входная и выходная информации; М0, М1 — заготовка и изделие: Э - энергия; 1, 2, 3, 4 — подсистемы соответственно управления, контроля, манипулирования, обработки

Рабочий цикл ЧПУ станка как машины складывается из длительности рабочих tр и холостых tx ходов:

Т= tр + tx.

За время рабочего цикла станок выдает одну или несколько деталей, т. е. каждый механизм за цикл обработки одной детали, как правило, срабатывает один раз.

Так как большинство движений и процессов являются циклическими, то для увязки работы отдельных механизмов удобно пользоваться условными диаграммами — циклограммами.

Циклограммы чаще всего показывают зависимость перемещений рабочих органов от времени или от соответствующих углов поворота распределительного вала, зависят от степени автоматизации ЧПУ станка и бывают:

• круговые (в полярной системе координат), где циклу движения каждого механизма станка с ЧПУ соответствует окружность произвольного радиуса, на которой изображены фазы движения с поясняющими надписями (рис. 3, α);
• линейные, где работе каждого механизма соответствует отрезок прямой (или полосы) с изображением фаз движения и поясняющими надписями (рис. 3, б);
• с условным изображением рабочих органов в прямоугольной системе координат (рис. 3, в), наиболее часто применяемые; такие циклограммы могут строиться для перемещений (s - t), скоростей (v - t или w - 1), ускорений, нагрузок, давления в гидросистеме и т. д.; синхронные Диаграммы дают возможность проверить правильность цикла и по возможности совместить во времени, т. е. «уплотнить» цикл;
• совмещенные диаграммы движения рабочих органов и органов управления станка с ЧПУ (рис. 3, г), где числами обозначены моменты подачи команд и положения органов управления в течение цикла; каждое одновременное переключение органов управления называют тактом, а последовательность переключения изображают в виде тактограмм;
• упрощенные линейные (рис. 3, д) или в координатах v - s (рис. 3, е) для возвратно-поступательного движения рабочего органа станка.

Рис. 3. Виды циклограмм ЧПУ станков: положение 0 - выключено; положение 1- включено; ИП - исходное положение; БB - быстро вперед; РП - рабочая подача; РВ – реверс; БH - быстро назад; S - общий ход.