МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Э. БАУМАНА
КАФЕДРА «РК 9»
Разработка системы управления ГПЯ
для обработки детали “Фланец”
Пояснительная записка
Студент Григорьев А.С. Группа РК9-82
Руководитель проекта Семисалов В.И.
Москва
2004
Введение
Автоматизация производства в машиностроении представляет собой самостоятельную комплексную проблему. Ее решение направлено на создание нового совершенного оборудования, технологических процессов и систем организации производства, функционирование которых неразрывно связано с улучшением условий труда, ростом качества продукции, сокращением потребности в рабочей силе и с систематическим повышением прибыли.
Современные средства автоматизации должны развиваться в двух направлениях: автоматизация выпускаемого и действующего оборудования в целях повышения его эффективности и создание новых автоматизированных технологических комплексов, позволяющих решить задачу повышения производительности, надежности и точности выполнения работ при обеспечении необходимой и экономически оправданной гибкости производства.
Переход к новым принципам построения производственных систем подразумевает глубокий анализ основных тенденций развития сферы машиностроительного производства. В настоящее время идет интенсивное расширение номенклатуры производственных изделий и увеличение их общего количества. Совместно с этим становятся более жесткими требования к качеству изделий, появляется необходимость повышения точности технологического оборудования, его мощности, степени автоматизации и других параметров. В соответствии с требованиями оборудование становится более сложным и комплексным, растет его стоимость.
Следует сказать, что изменения в номенклатуре выпускаемых изделий в производстве связаны с необходимостью быстрой перестройки производственного процесса. Таким образом, необходима автоматизация производства в машиностроении, решения которой направлены на создание нового совершенного оборудования, технологических процессов и систем организации производства, функционирование которых неразрывно связано с улучшением условий труда, ростом качества продукции, сокращением потребности в рабочей силе и систематическим повышением прибыли.
Направление на развитие автоматизации в серийном производстве будет способствовать подъему производительности труда в этой области и окажет существенное влияние на уровень самого производства. Автоматизация для реализации поставленных перед ней целей (получение прибыли, обеспечение конкурентоспособности, обеспечение выживаемости) имеет следующие направления: обеспечение качества продукции; обеспечение реактивности производственной системы; обеспечение надежности выполнения заказов; обеспечение производительности; обеспечение экологической чистоты производства.
Автоматизация производственных процессов на современном этапе рассматривается как единая система автоматизации, охватывающая производство в целом (от проектирования до доставки). Нужно сказать, что с расширением применения робототехнических средств, внедрением оборудования, отличающегося высокой степенью концентрации операций (обрабатывающих центров, гибких автоматизированных производственных модулей и систем), значительно повысилась гибкость управления производством.
ГПС - новый этап в автоматизации производства, основанный на широком использовании принципов групповой технологии, станков с числовым программным управлением и гибких автоматизированных производственных модулей, промышленных роботов, роботоризированных комплексов, автоматизированного транспортно-складского оборудования, объединенных автоматизированной системой управления производством. Создание ГПС - проблема, решение которой связано с разработкой точного и надежного многооперационного оборудования и систем управления, введением автоматического контроля точности обработки и состояния инструмента, применением адаптивного управления процессом обработки, развитием методов диагностики и средств автоматического контроля за состоянием оборудования.
При рассмотрении ГПС на более детальном уровне выявляются такие элементы как гибкий производственный участок, гибкий производственный модуль, гибкая производственная ячейка.
ГПМ представляет собой производственную систему, которая может выполнить заданную программу выпуска изделий автономно в течение определенного времени с возможностью переналадки, т.е., оснащенный дополнительными устройствами для возможности включения в состав ГПС, многоцелевой станок. Обычно ГПМ - единая система со встроенными элементами, то есть состав ее заранее определен на этапе проектирования (без возможности раскомплектации). При автономном использовании ГПМ их часто называют гибкими производственными ячейками (ГПЯ).
ГПЯ в отличие от ГПМ имеет возможность раскомплектации и «собирается» из готовых отдельных элементов от разных производителей. В общем ГПЯ представляет собой станочную систему, которая является структурной минимальной единицей производственной системы. ГПЯ работает в условиях ГПС, т.е. каждая структурная единица ГПС должна обеспечивать работу всей системы в автономном режиме на протяжении некоторого промежутка времени.
Разработка ГПЯ
Основной тенденцией развития современного машиностроения является переход от автономно действующего оборудования к гибким производственным ячейкам.
Гибкие производственные ячейки строятся на многоцелевых станках, станках с ЧПУ, которые обладают широким спектром возм ожностей, являются совместимыми с множеством оборудования. Такие станки характеризуются высоким уровнем автоматизации цикла обработки вследствие применения устройства ЧПУ и автоматической смены инструментов и заготовок; высокой точностью, обусловленной повышенной жесткостью несущей системы и основных механизмов; высокой производительностью, за счет повышенной жесткости, мощности и скорости главного привода и быстродействия, при выполнении вспомогательных циклов и холостых ходов.
Разработка гибкой производственной ячейки ведется для токарного станка ЧПУ модели 16К20РФ3. В ГПЯ будут входить такие элементы как системы управления ГПЯ, система ЧПУ станка, система управления роботом, который будет осуществлять погрузку-разгрузку обработанных и предназначенных для обработки заготовок, и др. Помимо этого важна и необходима система контроля и диагностики, которая выполняет функции само регуляции, позволяет контролировать процесс обработки, предотвращать аварийные ситуации, инициировать процесс замены инструмента в случае его износа и т.д. К таким системам относятся: подсистема контроля износа инструмента, подсистема контроля размеров и вспомогательные системы.
Исходя из всего вышесказанного, следует отметить, что для каждой из подсистем следует выделить места на планировке гибкой производственной ячейки.
Переход от производства на автономных станках с ЧПУ к производству на гибких модулях (ячейках) требует, прежде всего, автоматизации загрузки и выгрузки деталей. Средства транспортирования должны обеспечить перемещение заготовок со склада к модулю и установку заготовки на станок. Устройство загрузки должно отвечать определенным требованиям, а именно:
точности: точность позиционирования на станке;
производительности: быстрота операции смены обработанных деталей на заготовки;
гибкости: адаптация к различным типам деталей;
надежности.
Для получения совершенной системы следует выбирать устройство, наилучшим образом отвечающее этим различным требованиям. В данном случае таким устройством является промышленный робот. Робот Robotek 2 в полной мере отвечает этим требованиям.
При эксплуатации ГПЯ, ввиду отсутствия операторов, актуальной становится задача диагностики состояния металлорежущего инструмента с целью его смены или подналадки, вызванной изменением статической настройки, связанной с износом инструмента. Отказы инструмента являются наиболее частыми и в ГПЯ определяют возможность их эксплуатации. Длительные наблюдения за использованием станков с числовым программным управлением (ЧПУ), где применение сборного инструмента наиболее рационально, показали, что наиболее частыми, требующими остановки станка, являются отказы, вызванные скоплением стружки в зоне обработки, и различные отказы режущего инструмента. Отказы, связанные со скоплением стружки в зоне обработки могут быть полностью устранены применением различных методов, средств и устройств дробления стружки. Вероятность же отказа инструмента неустранима в принципе, ибо износ инструмента для металлообработки - естественный физический процесс.
Таким образом, безотказная работа станков с ЧПУ требует оснащения их системами и устройствами автоматизированного диагностирования состояния режущего инструмента. В данном курсовом проекте разрабатывается один из вариантов такой системы для токарного станка с ЧПУ модели 16K20РФ3 с учетом современных тенденций и достижений в данной области.
Разработка устройства измерения предельного износа инструмента
Метод измерения износа инструмента
Структурная схема устройства измерения предельного износа инструмента.
Существующие методы измерения предельного износа инструмента в ГПЯ базируются, как правило, на анализе его режущей поверхности между циклами обработки или принудительной смене инструмента через расчетный период времени, найденный на основе априорной информации. Однако эти методы недостаточно эффективны, поскольку приводят к недоиспользованию ресурса инструмента и снижению производительности обработки за счет увеличения внецикловых потерь. Это диктует необходимость разработки нового подхода к решению этой задачи. В данном курсовом проекте разрабатывается устройство, входящее в состав гибкой производственной ячейки. Данное устройство основано на измерении и обработке вибропараметров металлорежущего инструмента.
Как известно, вибрации влияют на стойкость режущего инструмента, на точность и чистоту обработки детали, способствуют поломке пластин твердого сплава на режущем инструменте. Они также сильно влияют на износ и точность работы станков, на долговечность и прочность деталей станка. Поэтому построение устройства измерения износа инструмента на основе измерения параметров вибрации является вполне целесообразным.
Преимущество виброметрической информации заключается в том, что она связана с возмущениями случайно, а с параметрами точности, поскольку определяет их строго однозначно, детерминированно. Вибрационная диагностика относится к наиболее перспективным методам оценки состояния технологической системы. При решении задачи обеспечения надежности инструмента целесообразно использовать именно методы вибрационной технической диагностики, поскольку они принципиально позволяют установить зависимость между состоянием режущих кромок инструмента и параметрами динамического возмущения технологической системы. Контроль за состоянием инструмента ведется непрерывно, в течение всего времени выполнения технологической операции на станке. Разрабатываемое устройство также позволит за короткий промежуток времени получить информацию о поломке инструмента, имеющую место до наступления предельного износа.
Износ меняется во времени по определенному закону (Рис.1.). Если инструмент изнашивается по передней и задней поверхностям, что является наиболее характерным случаем, то кривая износа состоит из трех более или менее отчетливо выраженных участков. Участок АО с интенсивным нарастанием ширины площадки износа соответствует периоду приработки инструмента. Участок АВ характеризует период нормального износа. При достижении определенной величины износ начинает резко возрастать, что и показывает кривая износа. Этот участок кривой соответствует периоду предельного износа. В этот период износ нарастает столь быстро, что если не прекратить резания, он достигнет недопустимых значений и это скажется на точности обработки, качестве поверхностного слоя, исключит возможность переточек и т. д. Таким образом, точка В на кривой изнашивания характеризует момент прекращения резания с целью смены инструмента.
Рис.1.
а) Кривая изнашивании металлорежущего инструмента
б) Огибающая амплитудных значений относительных вибросмещений инструмента по мере изнашивания инструмента
По мере изнашивания инструмента происходит и изменение силы резания, причем в каждом конкретном случае величина этого изменения различна, но качественно, и это неоднократно проверено экспериментальными исследованиями, огибающая последовательных амплитудных значений силы резания (Рис.1.,б) будет полностью идентична кривой изнашивания. Другие возмущающие факторы, такие, как изменение припуска или твердости заготовки, приводящие к изменению износа, не оказывают влияния на изменение этой закономерности, поскольку приводят лишь к смещению огибающей от номинала, т. е. смещению статической настройки, но не меняют ее характера.
Если построить огибающую амплитудных значений силы резания, то
по ее точке перегиба можно судить о моменте наступления предельного износа. Но сила резания строго пропорциональна относительному виброускорению между инструментом и заготовкой, что позволяет идентифицировать огибающую амплитудных значений относительных вибросмещений между инструментом и заготовкой с кривой износа инструмента. В курсовом проекте будет разработано устройство, реализуемое данный способ.
В данном проекте разработана оригинальная структурная схема устройства измерения предельного износа инструмента:
Информация на устройство поступает от пьезоэлектрического датчика 1, измеряющего виброускорение. Датчик установлен на неподвижной части револьверной головки с помощью нескольких болтов - это место является максимально приближенным к инструменту, а крепление датчика непосредственно на инструменте невозможно из-за наличия проводов. В качестве датчика использован Виброакселерометр АНС 066-01, малочувствительный к внешним помехам, обладающий еще теми достоинствами, что может использоваться в качестве датчика ускорения без опорной точки. Направление его максимальной чувствительности совпадает с направлением собственной оси, а ориентация в поле тяжести не имеет значения.