Многопозиционный станок, за счет основного принципа концентрации операций (объединение составных частей дифференцированного технологического процесса), является важнейшим источником получения технико-экономического эффекта при создании автоматизированного оборудования.
Концентрация операций за счет объединения отдельных рабочих позиций может производиться «вдоль» (рис. 1, α) «поперек» (рис. 1, б) технологического потока или «комбинированно» (рис. 1, в).
Таким образом, основной принцип построения многопозиционных станков заключается в том, что в них концентрируются или разноименные q операции (последовательное действие), и одноименные р операции (параллельное действие), или и те, и другие операции (последовательно-параллельное действие) технологического процесса.
Рис. 1. Структурно-компоновочные варианты многопозиционных станков различного действия
Любой многопозиционный станок может быть построен по всем трем схемам. Например, шестишпиндельный токарный автомат (z = qр = 6) может иметь 4 разных исполнения: 1) q = 6, p = 1; 2) q = 3, p = 2; 3) q = 2, p= 3; 4) q = 1, p = 6. Число возможных вариантов возрастает с увеличением числа позиций z.
В многопозиционных станках последовательного действия время обработки в каждой позиции должно быть примерно одинаковым, так как время цикла определяется лимитирующей (самой длительной) операцией в одной из позиций станка, т. е. Тц = tp max + tx. Поэтому надо, чтобы tp max ⟶ min, a tp = tp0/q.
В многопозиционных станках параллельного действия одноименные операции во всех позициях могут выполняться не одновременно, а со сдвигом по времени, например, при обработке штучных заготовок.
Для установления зависимости производительности многопозиционного станка последовательного действия Qq от числа позиций q необходимо определить, как изменяются составляющие времени, входящие в формулу производительности однопозиционного станка:
Q1=1/(tp0+tx0+ΣCi+te),
где tр0 - суммарное время технологического воздействия согласно принятому технологическому процессу; tx0 - время несовмещенных холостых ходов (загрузка и съем, зажим-разжим, подвод-отвод режущего инструмента) ΣCi - потери (по инструменту) одного комплекта инструмента; te - потери (по оборудованию) одного комплекта механизмов устройств (внецикловые потери одного комплекта механизмов); ΣCi +te = Σtп - собственные внецикловые потери однопозиционного станка.
Итак, в многопозиционном станке время обработки в одной позиции при равномерной дифференциации технологического процесса будет tр = tp0/q; время холостого хода не зависит от q и определяется динамическими характеристиками, т. е. tx = tx0; собственные потери в i-й позиции будут tпi = ΣCi/q +tе, потому что в i-й позиции имеется 1/q часть инструмента. Так как отказ любой позиции приводит к остановке всего станка, то его собственные внецикловые потери Σп = tпiq = ΣCi + teq. Графики зависимости всех составляющих затрат времени от числа рабочих позиций q приведены на рис. 2.
Рис. 2. Зависимости рабочих tр0, холостых tх, и внецикловых - (ti, ΣCi) потерь времени многопозиционного станка от числа рабочих позиций q.
Расчет производительности многопозиционного станка с ЧПУ
Таким образом, с учетом длительности рабочего цикла Tц = (tp0/q)+tx, и собственных внецикловых потерь Σtп, получим формулу производительности многопозиционного станка последовательного действия:
Qq=1/(Tц+Σtп)=1/(tр0/q+tx+ΣCi+qte
Производительность Qq, является функцией технологических tр0, конструктивных tx, структурных параметров и показателей надежности в работе (ΣCi и tе = ωvср, где ω = 1/тср - параметр потока отказов; тср - среднее время безотказной работы; vср - среднее время обнаружения и устранения отказа, характеризующее ремонтопригодность). Графиқи Qq от q при te1 < te2 < te3 (рис. 3, α) носят экстремальный характер. Поэтому, взяв первую производную dQq/dq и приравняв ее к нулю, получим для Qq max оптимальное число позиций (формула 1)
Оптимальное число позиций зависит от двух факторов: общей длительности несовмещенных операций tро; уровня надежности механизмов и устройств, их безотказности и ремонтопригодности.
Рис. 3. Зависимости производительности Qq, Qр, и Qрq от числа рабочих позиций многопозиционного станка
В многопозиционном станке параллельного действия находятся p комплектов одинаковых механизмов и инструментов, имеющих собственные Внецикловые потери ΣCi + te; если при каждом отказе останавливается весь станок, собственные внецикловые потери будут Σtп = p (ΣCi +tр).
Анализ выгодного количества позиций р следует проводить из формулы производительности
Qp=p/(tp0+tx+Σtп)=p/(tp0+tx+p(ΣCi+te))
Как видно из рис. 3, б, в зависимости производительности Qp, от числа позиций р при различных потерях (te1 > te2 > te3) и длительностях обработки (tp1 > tp2 > tp3) имеют монотонно возрастающий характер, асимптотически приближаясь к некоторому пределу Qp. пр.
Монотонное увеличение производительности Qp ростом р нецелесообразно при создании станков с весьма большим числом позиций, так как увеличение числа позиций р приводит к росту конструктивной сложности и стоимости. Следовательно, в каждом случае имеется экономически оптимальное число позиций по критериям минимальной себестоимости эксплуатации, максимальной производительности труда и т. д.
По заданной производительности, определяемой по общей формуле Qр = (p/Тц) ηисп, ориентировочно (с округлением в большую сторону) находят число позиций
p=Qp. пр*Tц/ηисп
где Qр. пр - предельная теоретическая производительность; ηисп - коэффициент использования станка.
Следует отметить, что многие реальные конструкции станков параллельного действия, в том числе роторные и конвейерные машины, обладают свойством живучести: при отказе механизма или инструмента в какой-либо позиции станок не останавливается, а лишь отключается от питания заготовками отказавшая позиция. В результате производительность может быть повышена на 10...15 %. Многопозиционные станки параллельного действия получают все большее распространение в машиностроении.
На многошпиндельном обрабатывающем центре с управлением CNC фирмы «Хонсберг» системы МАСКО в более высокой степени осуществлен конструктивно модульный принцип компоновки. Множество обрабатываемых деталей и осуществляемые способы резания, а также партии разных размеров требуют приспособления станка, в данном случае, многошпиндельного обрабатывающего центра, к конкретным схемам обработки. Модульный принцип обеспечивает значительное расширение технологических возможностей многошпиндельных обрабатывающих центров системы МАСКО. Основная конструкционная структура и различные возможности расположения пяти возможных осей гарантируют не менее восьми разных вариантов (рис. 4, α - з), которые обеспечивают гибкое расширение с одной оси до пяти.
Рис. 4. Компоновки многошпиндельных обрабатывающих центров фирмы «Хонсберг», построенные на агрегатно-модульном принципе
Кроме того, многошпиндельный обрабатывающий центр с управлением CNC может быть оснащен устройством для смены инструмента с тремя осями системой CNC и автоматическим устройством для смены шпиндельной головки.
Независимо от варианта исполнения, в любом случае, основным узлом является носитель многошпиндельной головки с задаваемым делением, т. е. делением 8 шагами по 45°, делением 6 шагами по 60°, делением 4 шагами по 90°. Носитель шпиндельной головки вращается вправо или влево и осуществляет деление автоматически по самому короткому пути. Кроме того, имеются также носители многошпиндельных головок с несимметричным делением, например, 2 x 90°, 3 x 60°. Привод встроен в носитель многошпиндельной головки и, при стандартном исполнении, имеет мощность 15...25 кВт.
Ведущие предприятия многих промышленно развитых стран давно уже осознали, что рентабельное изготовление деталей средними и крупными сериями возможно только благодаря специальному оригинальному оборудованию. Примером могут служить агрегатные многопозиционные станки с круговым транспортером типа Турмат, характеризуемые высокой концентрацией операций (обработка заготовки с трех сторон или при перезажимемые с шести сторон), и встраиваемые в линейные станочные системы. Существует 5 типоразмеров таких станков с 3...10 рабочими позициями, на которые устанавливается до 27 узлов обработки при хорошем доступе к каждой позиции. Станки могут быть с одинарной и двойной индексацией, с тем, чтобы одновременно обрабатывать две заготовки или одну заготовку с перезажимом (перекантованием).
Многопозиционный станок (рис. 5) содержит несущую траверсу 4, установленную не станине 8 и снабженную силовыми головками (вертикальными нижними 2 и верхними 5, горизонтальны мм 3) и поворотным барабаном 6 (время позиционирования до 1 с), оснащенным шпинделями с зажимными патронами 7. Скорость быстрых перемещений узлов 12...15 м/мин. Свободному сходу стружки из рабочих зон через основание 8 станка способствует очень сильный поток охлаждающей жидкости, и стружка свободно попадает в стружкотранспортную систему 1. Рабочее пространство станка герметично и находится внутри него, что предотвращает попадание стружки и СОЖ наружу и способствует хорошему охлаждению и смазыванию обрабатываемых заготовок. Заготовки многопозиционного станка подаются по лотку 11, вводятся в станок поворотным загрузочным устройством 10 и выводятся из него в лоток.
Рис. 5. Агрегатный многопозиционный станок с круговым транспортом типа “Турмат” для гибкого автоматизированного производства фирмы “Витунг и Франк Мартинг” (ФРГ).
