Роботизированные технологические комплексы (РТК) механообрабатывабщего и заготовительного производства
Характеристика
и критерии выбора деталей, предназначенных для механической обработки на РТК
типа «станок – промышленный робот (ПР)»
Около 60%
заготовок деталей (полученные методами прокатки, ковки, штамповки, литья,
сварки) подвергаются механической обработке.
Для
определения номенклатуры деталей, механическая обработка которых технически
возможна и целесообразна на РТК типа «станок – ПР», необходимо учитывать
следующие факторы:
·
конструкцию
детали (т.е. геометрическую форму и взаимное расположение ее элементов);
·
вид и
состояние заготовки, поступающей на обработку;
·
технические
требования,
·
предъявляемые
к детали;
·
габариты
и массу детали.
Конструкции
деталей, предназначенных для обработки на РТК типа «станок – ПР», должны
обеспечивать:
1) наличие
однородных по форме и расположению поверхностей для базирования и захвата,
позволяющих без дополнительной выверки устанавливать детали на станок с помощью
универсальной технологической оснастки (центров, патронов, пневмотисков и т.п.);
2) наличие
явно выраженных поверхностей, с помощью которых детали можно транспортировать и
складировать около станков в ориентированном виде, используя для этого
стандартизованную вспомогательную оснастку (ящики, поддоны и т.п.);
3) возможность
унификации технологических процессов и типов технологического оборудования в
целях применения группового метода обработки.
Учитывая
указанные требования, а также технические параметры и уровень автоматизации
современных ПР и станков, для механической обработки на РТК типа «станок – ПР»
рекомендуются следующие детали:
1) гладкие и
ступенчатые валы (прямоосные и эксцентриковые) диаметром до 160 мм и
длиной до 2000 мм;
2) диски,
фланцы, кольца, гильзы и втулки диаметром до 400 мм и длиной до 250 мм;
3) плоские и
объемные детали простейшей формы (планки, крышки, шпонки, угольники, коробчатые
детали и т.п.) размерами (длина х ширина) до 1000X1000 мм.
Поскольку при
выборе ПР определяющим фактором является его грузоподъемность, важным
показателем обрабатываемых на РТК деталей становится их масса, рекомендуемые
значения которой составляют 1 – 250 кг для деталей типа тел вращения и 1 -500 кг для плоских и объемных деталей.
Детали типа
тел вращения по размерам (наружный диаметр D, длина L) и массе т условно
подразделяются на следующие группы:
Детали
типа валов (L 2D)
№ группы 1 2 3
4 5
D, мм – до 50
30–80 40–125 50–160 50–160
L, мм – до
500 500–1000 710–1400 1000–1400 1400–1200
m, кг – до 10
до 40 до 80 до 100 до 250
Детали
типа фланцев (L 2D)
№ группы 1 2 3
4
D, ММ – до
160 до 250 до 320 до 400
L, мм – до
200 до 200 до 250 до 250
m, кг – до 40
до 80 до 160 до 250
Детали
плоские и объемные по размерам (длина L, ширина В) и массе m условно
подразделяются на следующие группы.
Детали
коробчатой формы (L В Н, где Н – высота детали)
№ группы 1 2 3
4
ВхL, мм – До
300x300 До 500x500 До 800x800 До 1000x1000
m, кг До
40 До 160 До 250 До 500
Детали
плоские (L В; Н <
В/2)
№ группы 1 2 3
4
BxL, mm – До
300x300 До 500x500 До 800x800 До 1000x1000
m, кг – До 20
До 40 до 80 до 160
Автоматизация
механической обработки с помощью ПР осуществляется как путем создания РТК на
базе имеющегося на предприятиях оборудования, так и путем оснащения предприятий
серийными РТК, выпускаемыми станкостроительными заводами. Создание РТК на базе
имеющегося оборудования требует модернизации станков, предназначенных для
встраивания в РТК, а также соответствующей организации хранения и
транспортирования деталей, обрабатываемых на РТК. Поэтому созданию РТК должны
предшествовать предварительный технологический анализ и разработка необходимой
технологической и технической документации.
В условиях
серийного производства применение РТК целесообразно только на базе группового
метода обработки деталей. Для реализации этого метода необходимо:
1) на основе
соответствующих критериев установить номенклатуру деталей-представителей;
2) разработать
типовые технологические процессы обработки таких деталей;
3) выбрать
технологическое оборудование, обеспечивающее механическую обработку основных
поверхностей деталей и пригодное (по уровню автоматизации) для встраивания в
РТК.
При
разработке технологического процесса обработки деталей в условиях РТК
необходимо предусмотреть:
1)
максимально возможную концентрацию технологических операций на станках с ЧПУ,
позволяющую сократить число переустановки деталей в процессе обработки,
повысить точность обработки и уменьшить время производственного цикла;
2)
укомплектование станков технологической оснасткой, обеспечивающей при легкой и
быстрой переналадке точное базирование и надежное крепление деталей (в широком
диапазоне их размеров) в процессе обработки;
3) тщательную
подготовку баз на обрабатываемых изделиях, гарантирующую выполнение заданных
чертежами технических требований (обработка базовых поверхностей может
производиться как на оборудовании РТК, так и вне РТК перед поступлением детали
на комплекс).
На РТК
рекомендуется выполнять только отработанные, проверенные технологические
операции, время выполнения которых не превышает нормативного периода стойкости
режущего инструмента.
Технологическое
оборудование, входящее в состав РТК, желательно выбирать таким образом, чтобы
положение оси детали при ее транспортировании и обработке было постоянным
(горизонтальным или вертикальным).
К
заготовкам, обрабатываемым на РТК, предъявляются повышенные требования:
1) отсутствие
заусенцев на кованых и катаных заготовках и прибылей на литых заготовках;
обязательная зачистка швов на сварных заготовках;
2) заготовки
из легированных труднообрабатываемых сталей должны быть подвергнуты отжиму
(улучшению);
3) литые
заготовки из чугуна и цветных металлов должны быть зачищены и не иметь
литников, прошпатлеваны, проверены на размерную точность (последнее относится к
ответственным отливкам).
При создании
РТК рекомендуется их специализация по двум группам выполняемых операций:
1) РТК для
черновых и получистовых операций, на которых снимается основной объем стружки;
2) РТК для
отделочных (финишных) операций, на которых достигается требуемая точность
обработки.
Общие
требования к РТК заключаются в следующем:
1) планировка
РТК должна обеспечивать свободный, удобный и безопасный доступ обслуживающего
персонала к основному и вспомогательному оборудованию и органам управления РТК;
2) планировка
должна исключать пересечение трасс следования ПР и оператора в процессе работы
ПР по программе;
3) РТК должен
быть обеспечен средствами защиты от возможного проникновения человека в зону
действия ПР (светозащита, ограждения, звуковая сигнализация, защитные сетки и
др.), причем автономно функционирующие средства защиты должны работать
одновременно, подстраховывая друг друга;
4) размещение
средств защиты РТК не должно: ограничивать технологических возможностей
основного оборудования и ПР; ухудшать удобство их обслуживания; препятствовать
визуальному наблюдению оператора за ходом технологического процесса;
5) размещение
средства управления РТК должно обеспечивать свободный и быстрый доступ к
органам аварийного отключения ПР и безопасность оператора при управлении ПР в наладочном
режиме;
6) планировка
РТК должна обеспечивать беспрепятственное перемещение оператора вне рабочего
пространства ПР в течение работы ПР по программе, а также возможность
наблюдения оператором за ходом выполнения производственных операций и состоянием
оборудования;
При выборе
станков, рекомендуемых для встраивания в РТК, следует руководствоваться
определенными критериями, основные из которых следующие.
1. Распространенность
и перспективность станков, выпускаемых серийно», а также планируемых к
серийному выпуску. Целесообразно также создавать РТК на базе широко
распространенных в машиностроении моделей станков, имеющихся на данном
предприятии.
2. Возможность реализации заданного
технологического процесса обработки типовых деталей в условиях разной
серийности их выпуска. Исходя из этого рекомендуется включать в состав РТК
следующие станки-полуавтоматы, предназначенные для обработки деталей из штучных
заготовок: токарные патронные и центровые (горизонтальной и вертикальной
компоновки); токарно-револьверные; токарные многорезцовые и многошпиндельные;
токарно-лобовые; фрезерно-центровальные и подрезные центровальные; вертикально-сверлильные;
многоцелевые; фрезерные с крестовыми столами; плоско-, внутри- и
круглошлифовальные станки (горизонтальной и вертикальной компоновки); шлице-фрезерные
и шлице-шлифовальные; шпоночно-фрезерные; протяжные (для внутреннего и
наружного протягивания); резьбо-фрезерные и резьбо-шлифовальные;
отделочно-расточные станки; агрегатные (состоящие из унифицированных узлов);
зубообрабатывающие.
3. Размерные
параметры станков. Поскольку РТК создаются в основном для обработки изделий
массой до 500 кг, в состав комплексов рекомендуется включать станки, имеющие
следующие основные размеры: диаметр обрабатываемой детали при установке над
станиной Dy до 320 мм и расстояние между центрами до 2000 мм – для
центровых станков (токарных, круглошлифовальных и др.); Dy до 630 мм – для
станков токарных патронных, токарно-лобовых, внутришлифовальных,
зубообрабатывающих; размер стола в плане (длинах ширина) до 1600X630 мм – для
сверлильно-фрезерно-расточных станков с прямоугольными столами; диаметр стола
до 2000 мм – для станков с круглыми столами.
4. Уровень
автоматизации ставка – основной критерий, определяющий возможность включения
станка в состав РТК. Чем выше уровень автоматизации, тем с меньшими
конструктивными переделками (как правило, путем незначительной модернизации)
возможен переход станка на работу в автоматическом режиме, в комплексе с ПР;
при этом станок может достаточно быстро переналаживаться на обработку нового
изделия. Следует также учитывать степень автоматизации вспомогательных операций
(контроль деталей, отвод и подвод заграждений, вывод стружки и др.). Поэтому в
состав РТК рекомендуется в первую очередь включать станки с ЧПУ и цикловым
программным управлением и станки-полуавтоматы.
Совместная
работа станков с ПР требует доработки электрической схемы станка в целях обеспечения
обмена необходимой информацией между станком и ПР. Такой обмен осуществляется с
помощью команд, поступающих из электросхемы станка в электросхему ПР и
наоборот.
Расположение
и размеры зоны загрузки станка. Под зоной загрузки понимается часть рабочей
зоны станка, в которую поступает заготовка перед ее загрузкой в зажимное
приспособление станка.
Типовые
схемы зон загрузки станков приведены в табл. 1. Принадлежность к той или
иной схеме определяется направлением подачи заготовок в зону загрузки (сверху,
сбоку, спереди, сзади) и манипуляционными перемещениями захватного устройства
ПР, необходимыми для установки заготовки в зажимное приспособление станка.
Как видно из
таблицы 1 все двенадцать схем имеют определенные ограничения с точки зрения
возможности входа заготовки в зону загрузки. Каждая из этих зон рассматривается
как куб, в который заготовка может войти с пяти сторон по трем осям координат (X,
Y и Z). Точка пересечения этих осей привязана к оси симметрии
установочного приспособления станка, а ось X условно направлена по ходу
руки ПР. т.е. перпендикулярно передней стороне станка.
Процесс
загрузки станков с помощью ПР условно подразделяется на три этапа:
1)
транспортирование заготовки от места хранения к станку (способ реализации этого
этапа зависит от компоновки РТК и конструктивного исполнения ПР);
2) перемещение
заготовки в зону загрузки станка (способ реализации этого этапа зависит от
формы и взаимного расположения ограничительных плоскостей зоны загрузки;
3) ввод
заготовки в базирующее (установочное) приспособление станка, осуществляемый
посредством ориентирующих движений ПР (способ реализации этого этапа зависит от
расположения приспособления на одной из ограничительных плоскостей зоны
загрузки и принципа действия самого приспособления).
Таким
образом, станки, включаемые в состав РТК, должны
обеспечивать:
1) автоматический
зажим и освобождение детали на станке;
2) точное и
надежное базирование детали в установочном приспособлении станка;
3) отделение
отходов (стружки, шлама) от детали в процессе резания и механизированное
удаление их из зоны обработки;
4) автоматизацию
контроля отдельных параметров детали в процессе обработки;
5) автоматизированную
смену инструмента в процессе обработки;
6) связь
систем управления и электросхем станка и ПР, обеспечивающую полностью
автоматический цикл работы РТК;
7) возможность
безопасного (для обслуживающего персонала) и беспрепятственного доступа
(желательно сзади или сверху) руки ПР в рабочую зону станка в процессе загрузки
– разгрузки последнего;
8) автоматизацию
перемещения ограждения; 19) надежность работы станка и всего РТК.
Таблица 1
Типовые схемы зон
загрузки станков
|
Типовые схемы зон
загрузки станков
|
Обозначение
|
Эскизы
|
Обозначения
|
Эскизы
|
10
|
|
70
|
|
20
|
80
|
30
|
90
|
40
|
100
|
50
|
110
|
60
|
120
|
Кроме того,
станки должны быть укомплектованы легко переналаживаемой технологической оснасткой,
обеспечивающей точное базирование и надежное крепление деталей в широком
диапазоне их размеров в процессе обработки.
ПР
должны осуществлять:
1) установку
заранее ориентированных заготовок в рабочую зону станка;
2) снятие
деталей со станка и раскладку их в тару или укладку в магазин (конвейер);
3) кантование
деталей;
4) выдачу
технологических команд для управления технологическим оборудованием;
5)
транспортирование деталей между станками.
Основные
требования к ПР, используемым для автоматизации металлорежущих станков,
следующие:
1) конструктивные
и технологические параметры ПР (грузоподъемность, скорость перемещения рабочих
органов, точность позиционирования, размеры рабочей зоны, тип программного
управления) должны соответствовать параметрам станков, для обслуживания которых
они предназначаются;
2) применение
ПР должно обеспечить: повышение производительности станков не менее чем на 20%;
повышение качества обработки; повышение коэффициента загрузки станков в 2 – 2,5
раза; снижение трудоемкости на единицу продукции в 2 – 2,5 раза;
3) ПР должен
иметь число степеней подвижности, обеспечивая при этом необходимый объем
операции при обслуживании как станка, так и вспомогательного оборудования РТК;
4)
достаточная степень универсальности, позволяющая при переходе РТК на обработку
нового изделия обходиться минимальной переналадкой ПР;
5) высокая
надежность, обеспечивающая наработку ПР на отказ не менее 1000 ч;
6) наличие
зоны безопасности, находясь в которой обслуживающий персонал может
беспрепятственно наблюдать за процессом резания и в случае аварийной ситуации
принимать соответствующие меры, не подвергаясь при этом возможности быть
травмированным ПР.
Автоматизация
металлорежущих станков с помощью ПР может осуществляться в двух
направлениях. Первое направление – создание
однопозиционных РТК, в которых ПР обслуживает один станок. При этом ПР может
быть автономным или встроенным в станок. Автономные ПР применяют для
обслуживания станков различного технологического назначения, имеющих единую
схему манипуляционных перемещений при загрузке – выгрузке деталей, причем
обрабатываемые на этих станках детали должны входить в одну группу по таким
параметрам, как тип, размеры и масса. Встроенные манипуляторы создают, как
правило, для одной определенной, модели станка. Второе направление
– создание многопозиционных (групповых) РТК, в которых ПР обслуживает группу из
2 – 6 станков. В многопозиционных РТК в функции ПР помимо загрузки оборудования
также входят транспортирование деталей между станками, переориентация деталей,
управление станками.
Вспомогательное
оборудование входящее в РТК типа «станок-ПР», состоит из транспортно-накопительных
устройств, обеспечивающих непрерывную работу РТК в автоматическом цикле в
течение заданного времени.
Функции
транспортно-накопительных устройств следующие:
1) накопление
определенного числа ориентированно расположенных заготовок на исходной позиции
РТК;
2) поштучная
выдача заготовок в определенное место, где они захватываются ПР;
3)
транспортирование изделий внутри РТК с сохранением их ориентации и передача их
на последующие участки;
4)
переориентация изделий между станками РТК (при необходимости);
5) хранение
межоперационного задела и задела, предназначенного для другого РТК.
Требования к
вспомогательному оборудованию определяются: типом РТК;
параметрами (тип, форма, материал, размеры) обрабатываемых деталей; типом и
числом входящих в РТК станков; серийностью выпуска и штучным временем обработки
деталей на станках. Типом РТК и входящих в его состав станков определяются:
функции вспомогательного оборудования (хранение, непрерывное транспортирование,
шаговая подача и т, д.); положение оси изделия при хранении и
транспортировании; конструктивное исполнение вспомогательного оборудования
(магазин, тактовый стол, конвейер и др.).
Параметрами
обрабатываемых деталей определяются форма и размеры ложементов (призмы, штыри,
отверстия и т.д.) для установки деталей. Серийностью и штучным временем
обработки определяется вместимость вспомогательных устройств. Вспомогательное
оборудование должно создаваться на базе унифицированных элементов для
возможности его быстрой переналадки
Выбор
технологической оснастки РТК осуществляют с учетом следующих положений:
1) ПР сам по
себе не обеспечивает требуемую для обработки точность базирования детали в
приспособлении. Поэтому технологическая оснастка должна обеспечивать:
возможность установки в ней детали с помощью ПР заданной модели; требуемую
точность базирования; надежность закрепления детали в процессе обработки;
2) чтобы
гарантировать правильное положение детали в базирующем приспособлении станка,
желательно оснастить РТК контрольными датчиками, фиксирующими положение детали
перед началом обработки и расположенными как на захватном устройстве ПР, так и
на самом станке;
3) необходимо
предварительно проверить, можно ли имеющуюся на станке технологическую оснастку
приспособить для работы в условиях РТК без ее модернизации.
Список литературы
1. Роботизированные технологические
комплексы/ Г.И. Костюк, О.О. Баранов, И.Г. Левченко, В.А. Фадеев
– Учеб. Пособие. – Харьков. Нац. аэрокосмический университет «ХАИ», 2003. – 214 с.
2. Широков А.Г. Склады в ГПС. – М.:
Машиностроение, 1988. – 216 с.