Формула по которой производится структурная компоновка станка с ЧПУ - это определенная последовательность символов, обозначающих блоки компоновки, раскрывающая координатную принадлежность и способ сопряжения блоков.
Для станков с ЧПУ применяется система обозначения осей координат ИСО (рис. 1). Особенность ее в том, что ось координат Z принимают всегда параллельной оси главного шпинделя станка, независимо от того, как он расположен - вертикально или горизонтально. Эта особенность позволяет при ЧПУ для наиболее распространенной плоской обработки использовать в программах обозначения координат через X и Y независимо от расположения оси шпинделя (рис. 1, б, в). В качестве положительного направления оси Z принимают направление от заготовки к инструменту. Ось x - всегда горизонтальна. Дополнительные движения, параллельные осям X, Y, Z, обозначают соответственно U, V, W (вторичные) p, g, r (третьей очереди). Вращательные движения вокруг осей X, Y, Z обозначают соответственно буквами α, b, c, а дополнительные - d и е. Положительные направления вращательных движений инструмента +α, +b, +c соответствуют направлению вращения правого винта при его продвижении соответственно вдоль осей +X, +Y, +Z.
Рис. 1. Обозначение координатных осей и движений при компоновке станков с ЧПУ: α - поступательных и вращательных; б и в - направления осей для компоновок с горизонтальным и вертикальным шпинделей
При компоновке станка с ЧПУ, если в станке нескольких шпинделей, один из них принимают главным. Вращение главного шпинделя обозначают буквой С (иногда S - spindel). Если в компоновке станка одновременно имеются шпиндели, заготовки и инструмент, то первый считают главным (С), а вращение второго - А (ось X), В (ось Y), D (ось 2). Главное движение резания обозначают знаком Λ над соответствующей буквой. Стационарный блок обозначают знаком 0 (отсутствует движение).
Основное правило записи расположения блоков: от заготовки (крайний слева) к инструменту (крайний справа). Индексами h и v обозначают соответственно горизонтальную и вертикальную оси, горизонтальную ось можно обозначать подчеркиванием знака блока (Z или C). Дробный индекс v/h при знаке шпиндельного блока проставляют, если ось шпинделя поворотная. Если ось имеет только два крайних положения, то обозначают v, һ. Знаки дублирующих вращательных движений преимущественно применяют вокруг вертикальной оси - d, горизонтальной - е. Блоки, выполняющие одновременно два движения, например, поступательное и вращательное, записывают с косой дробной чертой (Z/C). Это относится и к блокам, перемещающимся под углом (Y/Z - ближе к оси Z).
При последовательном сопряжении блоков (рис. 2, α, б) используется знак ≪X≫, который для упрощения записи опускается или заменяется точкой ≪.≫, параллельно-сопряженные блоки (рис. 2, в) записывают в скобках со знаками ≪+≫; если же они одинаковы, то взамен скобок число блоков записывают цифрой перед соответствующим обозначением.
Рис. 2. Компоновки станка с ЧПУ с указанием координатных осей и движений: α - фрезерного станка; б - токарного станка; в - агрегатно-сверлильного станка; г – промышленного робота
Структурные формулы компоновок станков с ЧПУ могут иметь различные, степени уточнения: K1 - координатная; K2 - базовая; K3 - конструкционная. Например, для фрезерного станка (рис. 2, α) с общей формулой структуры XYZ0С обозначения координатной компоновки K1 - ХҮZ0С, которой чаще всего пользуются.
Агрегатное построение компоновки может быть отражено в формуле заключением в квадратные скобки конструкционных модулей, которые представляют собой агрегатные узлы и другие единицы унификации, включающие один, два или больше блоков компоновки. Конструкционными модулями могут быть, например, стол и станина продольно-фрезерного станка, шпиндельные бабки, агрегатные силовые головки и т. д. Деление компоновки на конструкционные модули в отличие от деления на координатные блоки может проходить не только по направляющим, но и по разъемам частей блоков. Следовательно, части одного блока например, стационарного, могут принадлежать различным модулям.
Съемные принадлежности, развивающие кинематическую структуру станка, такие, как накладные головки и столы, делительные устройства, можно рассматривать как конструкционные модули и в случае необходимости записывать в квадратных скобках на соответствующем конце формулы компоновки.
В формулах конструкционных компоновок многопозиционных станков с ЧПУ принадлежность блоков тем или иным позициям может быть намечена при знаках блоков или в скобках римскими цифрами в виде индексов сверху, например формула 1
Способ обозначения компоновок станков может быть распространен на другие машины, действие которых связано с координатными перемещениями узлов: контрольно измерительные машины, промышленные роботы и др. Например, формула координатной компоновки промышленного робота (рис. 2, г): KҮ / ВhZCvXO, где K - движение охвата.
Применительно к станочным системам целесообразна сокращенная запись, в которой станки и агрегаты системы обозначают одной буквой с указанием номера позиции (П(I), П(ll), ...). Каждое из таких обозначений может быть отдельно расшифровано с помощью структурных формул компоновок. При этом продольную ось обозначают через X, поперечную Ү, вертикальную Z (что может не совпадать с осями координат станков). В качестве положительного принимают направление оси X - по направлению последовательности операций в начале системы; оси Z - вверх, оси Y - влево, если смотреть вдоль +X. Отрицательные направления обозначают знаком «минус». Строчными буквами x, y, z и α, b, c без индексов обозначают только направления движений.
Рис. 3. Компоновки станочных систем (3 - загрузочная позиция; Р - разгрузочная; Н - накопитель)
Для обозначения станочных систем из двух параллельных участков (рис. 3, α) и двух многопозиционных станков (рис. 3, б) запишем структурные формулы компоновок станков с ЧПУ, формула 2
Возможна и иная запись структурных формул компоновок станков, если, систему X, Y, Z заменить системой X3, X2, X1, а поворотные блоки (a, b, c) обозначить через X01, X02, Х03, т. е., например, вместо XYZ0Сv и ХZYOCh (знаки Y и Z изменены местами) получим X3X2X10X01 и X3X1X20X02. Если перейти к цифровой системе, поставив цифровые индексы взамен букв X, то получим для вертикального и горизонтального консольно-фрезерных станков следующие записи: 3.2.1.01 и 3.1.2.0.02, где блок 1 - вертикально-подвижный; 2 - поперечно-подвижный; 3 - продольно-подвижный; 0 - стационарный (удобно жирным шрифтом); 01 и 02 - вертикальный и горизонтальный шпиндели станков. Для обозначения режимов работы станков можно воспользоваться таблицей на рис. 4.
Рис. 4. Режимы подвижных блоков при компоновке станков
Количественный анализ структуры компоновок станков с ЧПУ основывается на определении числа блоков и элементарных движений, заключенных в компоновке, и преследует цель, структурной универсальности и степени возможного ее использования.
Формула компоновки станка позволяет определить: общее число движений d; общее число блоков u; число подвижных блоков ud = u - 1; причем в частных случаях ud < d за счет совмещения в одном блоке двух движений (например, поступательного и вращательного).
Если исключить из d число дублирующих движений, то получим Кd = d - d дубль - число относительных координатных перемещений инструмента и заготовки (число степеней свободы).
Об универсальности структуры компоновки станка можно косвенно судить по величинам d, ud и Kd, однако более действенная оценка требует анализа возможных сочетаний движений при обработке деталей, а для этого введем понятие технологического модуля (TM) - наименьшего состава блоков компоновки, необходимых для выполнения операций формообразования. ТМ должен состоять по меньшей мере из двух блоков - подвижного и стационарного, т. к. без этого невозможно относительное движение заготовки и инструмента. Для определения и обозначения TМ можно воспользоваться кинематическими схемами резания по Г. И. Грановскому (рис. 5). Например, технологический модуль TM401-02с, имеет поступательное движение. Z, направленное вдоль оси вращательного движения С.
Рис. 5. Кинематические схемы резания по Г. И. Грановскому (код схемы и виды обработки): 101 - строгание, протягивание; 203 - разрезка ленточными пилами; 301 - протягивание круговых сегментов; 401 - сверление, точение и расточка; 402 - конусное точение; 403 - торцевое фрезерование и точение; 405 - цилиндрическое фрезерование; 501 - фрезерование тел вращения; 503 - кромочное фрезерование тел вращения; 615 - объемное фрезерование пальцевыми фрезами, контурное точение; 619 - контурное цилиндрическое фрезерование; 701 - объемное фрезерование дуговыми строчками; 703 - фрезерование барабанных кулачков; 719 - фрезерование дисковых кулачков.
Различные распределения движения образуют варианты технологических модулей, реализуемых в станках ЧПУ различных компоновок и типов. При этом число n перестановок из r элементов (n = r)
будет Рn(r) = n!.
В нашем примере для TM401 - 0ZC число перестановок
Р (3,3) = 3! = 6.
На практике известны четыре структуры компоновок станков с ЧПУ, соответствующие приведенным на рис. 6. Во всех этих вариантах характер относительного движения и кинематические схемы резания неизменны.
Рис. 6. Известные структуры компоновок станков с ЧПУ по технологическому модулю TM401 - 0Zс: 1 - горизонтально сверлильный станок; 2 - токарный станок; 3 - горизонтально расточной станок; 4 - токарный автомат продольного точения.
