Порядок проектирования металлорежущих станков установлен отраслевым стандартом «Разработка и постановка продукции на производство», который разработан на основе соответствующего ГОСТа «Разработка и постановка продукции на производство. Основные положения», а также в соответствии с требованиями ЕСКД, ЕСТД и др. документов.

ОСТ устанавливает следующие этапы создания металлорежущего оборудования:

1) Техническое задание, которое разрабатывается на все станки, включая и модернизируемые;

2) Техническое предложение;

3) Эскизный проект;

4) Технический проект, который разрабатывается на все станки, включая и модернизируемые;

5) Рабочая конструкторская документация;

6) Техническая подготовка производства;

7) Выпуск опытного образца;

8) Выпуск опытной партии

На всех стадиях проектирования станка проводится художественное конструирование. Инженерное и художественное конструирование – это единый процесс создания станка. Художественное конструирование состоит из ряда этапов соответственно стадиям инженерного конструирования.

Содержание разделов технической документации технического задания при проектировании станочного оборудования

Техническое задание содержит основные сведения о назначении оборудования, т.е. какие детали, с какой точностью, размерами и производительностью предполагается обрабатывать на разрабатываемом станке. Обосновывается целесообразность создания нового оборудования на основе анализа научно-технической информации, патентного поиска и сопоставления существующих технических решений. Проводится экономическое обоснование и назначаются основные технико-экономические показатели.

Содержание разделов технической документации технического предложения при проектировании станочного оборудования

Техническое предложение разрабатывают в тех случаях, когда это оговорено в разделе «Стадии и этапы разработки» технического задания или в договоре на разработку с учетом новизны и сложности станка. Исходным документом при разработке технической документации является техническое задание.

Техническое задание является первым этапом проектирования и включает в себя:

а) обоснование главных особенностей проектируемого станка;

б) обоснование и уточнение технической характеристики;

в) выбор источников движения;

г) дополнительные патентные исследования и поиск научно-технических достижений по отдельным вопросам конструкций, технологий и т.д.;

д) уточнение экономической эффективности;

е) выбор возможных компоновок и их анализ.

Содержание разделов технической документации эскизного проекта при проектировании станочного оборудования

Эскизный проект разрабатывают в тех случаях, когда это оговорено в разделе «Стадии и этапы разработки» технического задания или в договоре на разработку с учетом новизны и сложности станка. Исходным документом при разработке технической документации является техническое задание. Он разрабатывается для установления принципиальных (конструктивных, схемных и др.) решений, дающих общее представление о принципе работы и устройстве станка, когда это целесообразно сделать до разработки технического проекта или рабочей документации. Предварительная проработка всех узлов.

Содержание разделов технической документации технического проекта при проектировании станочного оборудования

Технический проект разрабатывается по утвержденному техническому заданию, техническому предложению и эскизному проекту (если они предусмотрены техническим заданием) для выявления окончательных технических решений, дающих полное представление о конструкции станка, когда это целесообразно сделать до разработки рабочей документации. Применяются окончательные технические показатели, разрабатываются общие виды и сборочные чертежи всех узлов, проводятся уточненные расчеты и определяется окончательно эффективность оборудования.

Содержание разделов рабочей конструкторской документации при проектировании станочного оборудования

Рабочую документацию (рабочий проект) разрабатывают по утвержденному техническому проекту. Разработка рабочей документации осуществляется в соответствии с требованиями стандартов и действующих на предприятии-изготовителе техпроцессов и оборудования. Рабочий проект включает в себя всю документацию, необходимую для представления о конструкции, материалах, технических параметрах и т.д. оборудования: рабочие чертежи всех деталей, сборочные чертежи и чертежи общего вида и т.д.; кинематические, электрические, гидравлические, пневматические и т.д. принципиальные и монтажные схемы; руководство по эксплуатации, паспорт, спецификации.

Проектные критерии, предъявляемые к станочному  оборудованию

Современное машиностроение наряду с непрерывным ростом потребления металлорежущих станков предъявляет к ним все более высокие требования в отношении их качественных показателей. Основными технико-экономическими показателями качества станка, которые конструктор должен знать и учитывать в первую очередь, являются следующие.

1. Максимальная производительность при обеспечении заданной точности и шероховатости обработанной поверхности. Производительность станка может быть оценена количеством деталей, обработанных на нем в единицу времени. Для достижения максимальной производительности следует сокращать как основное время, необходимое на непосредственное резание, так и вспомогательное, затрачиваемое на установку и снятие заготовки.

2. Точность работы. Точность работы станка зависит от геометрической и кинематической точности станка, температурных деформаций станка ,жесткости деталей и стыков, износа деталей и возможности его компенсации, правильности установки и эксплуатации станка, конструкции и точности зажимных приспособлений и т.д.

3. Простота, легкость и безопасность обслуживания и управления, удобство ремонта. Уменьшение утомляемости рабочего и безопасность работы на станке достигаются максимальной автоматизацией, удачной компоновкой станка, рациональным расположением органов управления, обеспечением малых усилий на органах управления, снижением шума до минимума и т.д.

4. Надежность и долговечность.

Надежность – способность станка обеспечивать при эксплуатации заданные технологические параметры в течение определенного срока службы с условием своевременных технического обслуживания, ремонта и т.д. Нарушение работы станка называется отказом.

 Безотказность станка – свойство станка непрерывно сохранять работоспособность в течение определенного времени. Вероятность безотказной работы станка определяется как произведение вероятностей безотказной работы всех узлов станка.

Интенсивность отказов – это условия плотность вероятности возникновения отказа в единицу времени.

Долговечность станка – свойство станка сохранять работоспобность в течение некоторого времени с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта до наступления предельного состояния.

Технический ресурс – наработка от начала эксплуатации до перехода в предельное состояние.

Ясно, что высокое качество станка в целом должно включать, кроме надежности ,и другие показатели, как точность, производительность, экономичность и т.д. Эти показатели взаимосвязаны и должны рассматриваться только совместно.

5. Низкая себестоимость изготовления деталей на станке. Для выполнения этого требования необходимо обеспечить высокую производительность станка, максимально автоматизировать цикл его работы.

6. Малые затраты на изготовление станка и малые эксплуатационные расходы. Это требование выполняется повышением технологичности конструкции станка.

7. Малая металлоемкость (материалоемкость) и габаритные размеры. Габаритные размеры станка и различных устройств, поставляемых вместе с ним, существенным образом влияют на рациональное использование производственных площадей, так как с увеличением занимаемой станком площади растут эксплуатационные расходы. Поэтому вертикальная компоновка станка с этой точки зрения является более выгодной, чем горизонтальная.

8. Технологичность конструкций. Технологичность конструкции станка характеризуется степенью сложности изготовления деталей и сборки его узлов, а также количеством оригинальных, унифицированных, нормализованных и стандартных деталей и узлов.

9. Возможность переналадки станка при смене объекта производства (для некоторых типов станков, например агрегатных)

10. Эстетический уровень.

11. Степень унификации, нормализации и стандартизации.

12. Патентоспособность и патентная чистота.

С развитием науки и техники перечисленные требования к станкам изменяются, определяя новые направления в развитии станкостроения. Поэтому конструктор должен следить за  достижениями в области технологии производства и станкостроения.

Обобщенные (базисные) показатели оценки качества оборудования (эффективность, производительность, гибкость, надежность)

Любая обработка характеризуется 3-мя основными параметрами: качество обработки (точность и шероховатость), производительность, стоимость обработки.

Чем выше квалитет точности, тем выше класс шероховатости, выше стоимость обработки. При выборе  технологии стремятся обеспечить: максимальную эффективность, набольшую производительность, высокую точность, высокую надежность, гибкость оборудования.

Экономическая эффективность – один из главных критериев в современных рыночных условиях. После выбора нескольких вариантов тех.процессов определяется себестоимость (затраты на материалы, зарплату, эксплуатацию) Рассчитываются капитальные вложения на оборудование, площади, оснастку. Сумма себестоимости и капитальных вложений с определенным коэффициентом являются приведенными затратами. Разность приведенных затрат по 2-м вариантам определяет экономическую эффективность.

Производительность – способность станка обеспечить обработку определенного числа деталей в единицу времени.

Штучная производительность:

,

 где Т_о – годовой фонд времени (ч);

Т_шт – трудоемкость обработки (время загрузки детали, закрепления, холостые ходы, обработка, снятие со станка, Т_п-з);

N – программа выпуска (шт.)

Производительность универсального оборудования определяется по представительной детали, которая имеет вид, массу, размеры и допуски усредненной из обработанных деталей.

Технологическая производительность – возможность на станке снимать максимальный объем материала, максимальные припуски на максимальных режимах за единицу времени.

Надежность – способность станка обеспечивать при эксплуатации заданные технологические параметры в течение определенного срока службы с условием своевременных технического обслуживания, ремонта и т.д. Нарушение работы станка называется отказом.

 Безотказность станка – свойство станка непрерывно сохранять работоспособность в течение определенного времени. Вероятность безотказной работы станка определяется как произведение вероятностей безотказной работы всех узлов станка.

Интенсивность отказов – это условия плотность вероятности возникновения отказа в единицу времени.

Долговечность станка – свойство станка сохранять работоспобность в течение некоторого времени с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта до наступления предельного состояния.

Технический ресурс – наработка от начала эксплуатации до перехода в предельное состояние.

         Гибкость станочного оборудования – способность к быстрому переналаживанию на изготовление других деталей. Чем чаще происходит смена деталей ,тем большей гибкостью оно должно обладать.

Универсальность – это возможность использования станка для обработки деталей различных форм и размеров.

Переналаживаемость  - определяется потерей времени и средств на переналадку при переходе от одной партии к другой.

1 – автоматические линии;

2 – переналаживаемые автоматические линии;

3 – гибкие станочные системы;

4 – станочные модули и станки с ЧПУ;

5 – станки с ручным управлением.

Точность – один из основных показателей технической характеристики станка. Источники возникновения погрешностей

Точность станка определяет точность обрабатываемых на нем деталей, погрешность – величина обратная точности. По характеру и источникам возникновения все погрешности станка можно разделить: геометрическая, кинематическая, технологическая, динамическая (виброустойчивость), конструкторская, управления.

Геометрическая погрешность зависит от:

1)точности изготовления отдельных деталей станка;

2)точности взаимного расположения узлов станка при отсутствии внешних воздействий;

3)качества сборки;

4)регулировки.

Кинематическая погрешность – рассогласование скоростей перемещения двух или нескольких исполнительных механизмов станка, в котором присутствуют сложные движения. Это разница между фактической и расчетной скоростями перемещений узла, выраженная в условных единицах, реже в процентах.

Возникает из-за:

1)неточное изготовление исполнительных узлов (ходовой винт-гайка – это погрешность шага на разных участках);

2)неточная настройка;

3)неточность сборки;

4)износ инструмента – один из наиболее важных и постоянно изменяющихся факторов и в большей степени влияющий на точность обработки. Для компенсации износа: взять лучше материал режущей части + Т/О + покрытие; изменить режимы резания; чаще контролировать; автоматические системы слежения и поднастройки.

Динамическая устойчивость: при неравномерности снимаемого припуска по длине и т.д., меняются силы резания. Динамические факторы при движении неуравновешенных или работающих прерывисто исполнительных органов станка. Определяют амплитудно-фазовые и АФЧХ. Применяют различные приспособления, адаптивные системы гашения колебаний. Выявляют источник колебаний, разрабатывают меры по их слежению. (Маховики подвергают статической и динамической балансировке.)

Конструкторские погрешности. Жесткость системы СПИД – свойство противостоять упругим перемещениям под действием постоянных или медленно изменяющихся во времени силовых факторов. Податливость – величина обратная жесткости. Теплостойкость – сопротивляемость станка возникновению недопустимых температурных деформаций.

Погрешности систем управления. Точность позиционирования – вывод исполнительного органа станка в заданную позицию по одной или нескольким координатам. Влияние  оказывают случайные и систематические погрешности, которые учитываются. При множестве подводов в заданное положение в разных направлениях получается разброс попадания – зона нечувствительности. При подводе в одном направлении – зона  рассеяния называется стабильностью позиционирования. Величина зоны нечувствительности зависит от: зазоров, величины единичного перемещения (цена деления), инерционности. Точность позиционирования – один из главных параметров технической характеристики.

Критерии работы станочного оборудования – жесткость. Методы повышения жесткости.

Жесткость - способность сопротивляться появлению упругих перемещений или деформаций под действием нагрузки F

Угловая жесткость- отношение приращения моментов М к угловой деформации

Обратная жесткость-податливость

   ;    ;  ;

E-модуль упругости

G-модуль сдвига

J-момент инерции

 -полярный момент инерции

Прикасание шарика с плоскостью:

Для неподвижной плоскости стыков:                          

К-коэффициент контактной податливости(от материала и качества обработки поверхности)

Р-сред.уд давления в стыке

М-показатель степени

С увеличением Р-деформация снижается

При определении слабых мест в конструкции необходимо знать какую долю податливости вносит деформируемый элемент. Составляется баланс податливости.

1-стойка

2-станина

3-салазки

4-стол

5 спутник

С1-С10 – жесткости элементов станка

 –общая жесткость(с последовательной связью)

 –(c параллельной связью)

Методы повышения жесткости:

1.     Создание предварительного натяга в подшипниках и направляющих

2.     Уменьшение числа элементов и стыков в силовом потоке

3.     Повышение качества обработки стыков

4.     Применение рациональных сечений

Критерии работы станочного оборудования – прочность. Методы повышения прочности.

Элементы и детали станка должны обладать такой прочностью что бы в течении всего периода эксплуатации не происходило их поломок. Поломка это не допустимый вид выхода из строя детали и является следствием не правильного расчета и подбора материала или недопустимых методов эксплуатации.

Поломки детали из-за усталости происходят в шпинделях и валах, зуб. Колесах и носят аварийный характер. Статическая прочность определяет размеры лишь некоторых деталей станков: кронштейнов, медленно вращающихся валов, и зубчатых колес, крепежных винтов некоторых корпусных деталей. Расчет ведут по формулам сопротивления материалов как это принято в курсах деталей машин.

2.1 Усталостное разрушение – возникает при переменных нагрузках (зуб. Колесо, валы, подшипники качения и т.д.), т.е. усилие не постоянное. Обычно используется линейное суммирование усталостных повреждений. Расчет ведут по эквивалентным числам циклов нагружений и эквивалентным нагрузкам.

G – напряжения

- циклы

m – показатель степени(при контактных напряжениях m=3, изгиб m=6…9 от т/о)

2.2 Пластическое деформирование – испытывают в основном детали из вязких материалов без т/о ( искривление валов, смятие шпонок)

2.3 Хрупкие разрушения – маловязкие материалы при действии ударных нагрузках (зажимные цанги, корпуса патронов)

Критерии работы станочного оборудования – износостойкость. Методы повышения износостойкости.

Износостойкость – причина входа из стоя подавляющего числа станков и деталей.

Основным параметром является износ. Пример: разрушение или отделение материалов с поверхности твердого тела приводит к потере точности, снижение КПД, снижение прочности, возрастанию шума и т.д.

Виды изнашивания:

3.1 Механические (абразивное изнашивание) – изнашивание твердыми посторонними частицами.

Противодействие - повышение износостойкости за счет повышения твердости(т/о)

Критическая твердость 60% от твердости абразива.

3.2 Молекулярное изнашивание (схватывание трущих поверхностей). Особенно опасно при незакаленных и химически однородных материалов.

3.3 Коррозионномеханическое изнашивание (сопровождается химическим и электрически взаимодействием материалов)

3.4 Водородное изнашивание – повышенная влажность и нефтепродукты, сталь по медным сплавам.

3.5 Эрозионные и кавитационное изнашивание.

Методы снижения износа на работоспособность:

1) при воздействиисилыFграни направляющих по разному влияют на точность размера d.

2) Создаются постоянные усилия (постоянное удвоение давления Р или произведение силы на скорость на поверхностях трения).

4)Применение бесконтактных механизмов: электромеханическая передача винт-гайка или гидростатических направляющих штосселя зубодолбежного станка.

5) создание усилии для хорошего смазывания деталей: в паре трения желательно жидкостное трение.

6)Применение пористых материалов.

7)разгрузка от усилий ответственных элементов

8) компенсация и самокомпенсация зазоров.

9)правильны выбор трущихся пар – сочетание ТВ. Материалов с мягкими

10) Защита рабочей поверхности от загрязнений

11)своевременная замена масла

12)правильное назначение шероховатости трущихся поверхностей

12 Критерии работы станочного оборудования – теплостойкость. Методы повышения теплостойкость.

В результате нагрева возникают вредные для станка явления:

1) понижается точность станка(температурные деформации из-за неравномерного и равномерного нагрева детали)

а)из-за разного коэффициента расширения детали, непостоянство температурного поля в пространстве.

б)из-за разной тепловой инерции детали и их элементов зависит от массы, теплостойкости, инертности нагрева.

2)изменение величины зазоров в подвижных соединениях. Искажение геометрии сопряжения

3)снижение защитной способности масляного слоя

4)понижение стойкости

Способы уменьшения влияния температурных явлений на работоспособность:

1.     Создание термосимметричных конструкций

2.     использование охлаждения особенно для наиболее важных узлов и стабилизация температуры масла

3.     выбор материала детали с низким коэффициентом теплопроводности

4.     теплоизоляция

5.     рациональное закрепление детали

6.     применение самоустанавливающих механизмов и элементов

7.     автоматическое обеспечение зазоров и натягов

8.     применение статически определяемых систем

9.     снижение влияния деформации  (использование схем компенсации)

10.                       самокомпенсирующая деформация. При выбранных размерах между подшипниками, когда оси роликов пересекаются в одной точке изменение размеров подшипников компенсируется осевыми деформациями вала

11.                       выбор направления деформации

12.                       применение систем адаптации

 Критерии работы станочного оборудования – виброустойчивость. Источники возникновения вибраций. Методы повышения виброустойчивости.

Виброустойчивость – способность станка работать в требуемом диапазоне режимов без не допускания колебаний. В станках во время работы возникают: вынужденные колебания, вызванные внешними периодическими силами; автоколебания и самовозбуждающие колебания, являющимися наиболее распространенными в станках. Возмущающие силы вызываются самими колебаниями (автоколебания связаны с падением силы трения или повышением скорости). Расчеты на колебания проводят для упругих систем станка в целом, учитываются упругие и контактные деформации, деформации в стыках. Одним из основных методов улучшения динамических характеристик является повышение жесткости конструкции, не всегда с повышением массы. Повысить виброустойчивость можно перераспределением массы внутри станка, уменьшить массу тех узлов в которых ожидается максимальная амплитуда. Эффективным способом повышения виброустойчивости является повышением демпфирования, достигается за счет применения материалов, гидростатических направляющих и опор скольжения, расположением стыков и направляющих перпендикулярно основным формам колебаний, применением демпферов со вспомогательной массой.

 Эргономические основы проектирования оборудования. Основные задачи эргономики. Дизайн, функционализм, стилизация, стайлинг

Главной движущей силой технического прогресса было и есть стремление создавать более производительные, надежные, долговечные, экономичные средства производства. Создавая средства производства, человек стремится сделать их максимально удобными и красивыми, так как стремление к красоте неотделимо от человека. Поэтому в процессе развития производительных сил эстетизация предметной среды приобретает все большее и большее значение.

Техническую эстетику и художественное конструирование обозначают термином дизайн, имеющим несколько значений: инженерное и художественное конструирование, систему теоретических взглядов в этой области, результаты творчества художника-конструктора и метод его работы. В дизайне можно отметить следующие направления: истинный дизайн, функционализм, стилизация, стайлинг.

Истинный дизайн – это создание изделия на основе эргономики, функционального и композиционного анализов, передовых технических требований. Форма изделия в этом случае наиболее точно отображает его практическое назначение (функцию).

Функционализм – формообразование изделия на основе совершенствования функции, т.е. в основе создания изделия лежит прежде всего отработка функции, которой отдается предпочтение перед формой.

Стилизация – конструирование внешнего вида нового изделия по существующему образцу. Стилизация способствует распространению современных форм изделий и модернизации производства.

Стайлинг – конструирование изделий, отличающихся от своих аналогов лишь внешним видом. Постоянная модернизация изделия не вызывает существенной модернизации производства.

Эргономика - наука, изучающая функциональные возможности человека в трудовых процессах с целью создания для него совершенных орудий и оптимальных условий труда, т.е. таких условий, которые, делая труд человека высокопроизводительным и безопасным, в то же время обеспечивают человеку необходимые удобства и экономят его силы, здоровье и работоспособность. Эргономика включает в себя инженерную психологию, антропометрию и ряд вопросов физиологии и гигиены труда.

К основным вопросам эргономики относятся закономерности зрительного восприятия, антропометрические данные, биомеханические возможности человека.

Антропометрия и биомеханические возможности человека. Рабочая зона и рабочее пространство. Основные типы органов управления и индикации. Эргономическая оценка промышленного оборудования

Антропометрия – измерение тела человека. Антропометрические данные кладут в основу проектирования машин, орудий труда, помещений, потребительских изделий, что делает возможным правильную и эффективную эксплуатацию этих предметов. Антропометрические данные включают основные размеры человеческого тела и пределы движения конечностей. Например, средний рост мужчин в Российской Федерации равен 170 см, женщин – 157 см. В процессе проектирования нового и изучения существующего оборудования желательно провести антропометрический анализ, который дает возможность выявить недостатки компоновки отдельных узлов и расположения органов управления. К особенностям биомеханических возможностей человека можно отнести:

1) рука человека двигается лучше и быстрее в горизонтальной плоскости, чем в вертикальной, причем правая - против часовой, левая - по часовой;

2) там, где требуется быстрая реакция, нужно использовать движение по направлению "к себе";

3) движения вперед и назад быстрее, чем движения в стороны;

4) каждое движение должно заканчиваться в положении, удобном для начала следующего движения;

5) при работе двумя руками движения должны быть симметричны и противоположны, а также обе руки должны одновременно начинать и закачивать действия;

6) мускулы меньше утомляются при динамической работе, чем при статической, в связи с этим статическая работа при обслуживании оборудования должна быть сведена до минимума;

7) время переключения органа управления должно быть минимальным;

8) движение менее утомительно, если оно совершается в направлении положительного действия силы тяжести;

9) движения по окружности предпочтительнее, чем прямолинейные;

10) движение под прямым углом изменяется значительно быстрее, чем под тупым; плавно закругленные движения быстрее движений прямолинейных и имеющих резкое и внезапное изменение направления;

11) точные движения лучше выполняются сидя, чем стоя;

12) движения, ориентированные механическими устройствами, быстрее, чем движения, зависящие только от визуальной опенки;

 сила предплечья больше при согнутой руке, чем при вытянутой.

А - рабочее пространство;    Б - зона удобного размещения устройств; В - оптимальное рабочее пространство;   а - зона, удобная для обеих рук; б - расстояние между центрами оптимального рабочего пространства

Эргономический анализ органов управления в основном производится по следующим трем критериям:

1) удобство размещения органов управления;

2) величина усилия, необходимого для переключения рукояток;

3) время, необходимое на переключение и процент неудачных переключений, т.е. переключений, которые не удается выполнить с первого раза.

Оценка двух первых критериев производится путем сравнения параметров, характеризующих органы управления оборудованием, с цифрами, приведенными в таблице, разработанной ЭНИМС. В этой таблице приведены допустимые значения усилий на органах управления металлорежущих станков средних размеров в зависимости от частоты переключения рукоятки, ее расположения и направления усилия, необходимого для ее переключения. Здесь же указаны пределы рекомендуемой зоны расположения органов управления по высоте.

Понятие привода, назначение, требования к приводам, основные виды приводов, основные способы регулирования скорости приводов.

Привод – совокупность механизмов, передающих движение от источника энергии до элемента, выполняющего заданное движение в станке.

Назначение привода: приводы МРС предназначены для осуществления рабочих, вспомогательных и установочных перемещений.

Их делят на приводы гл.движения (обеспечивают скорость резания) и приводы подач (для координатных и вспомогательных перемещений).

Требования к приводу:

Общие: соответствие осн. хар-к привода (v перемещения, мощности, крутящего момента, хар-ка диапозона регулирования скорости и т.д.)

Технологические требования:

·        обеспечение обработки деталей заданной номенклатуры с заданной производительностью, точностью и параметрами шероховатости;

·        обеспечение заданных конструктивно-технологических требований по хар-кам точности перемещения раб.органа, уровню автоматизации управления приводом, удобство компановки;

·        надежность привода в эксплуатации, особенно ограничение перегрузок при переходных процессах;

·        высокий КПД привода, чтобы был минимум энергетических потерь;

·        ограничение уровня шума (ниже нормы);

·        применение унифицированных типовых стандартизованных покупных узлов-агрегатов, других элементов приводов;

·        рациональные габариты, материалоемкость и стоимость привода.

Виды приводов:В общем случае в привод входит источник движения (двигатель), механизм изменения передаточного отношения, механизмы вкл/выкл реверсирования, исполнительный орган.

В станках применяют приводы:

1.     вращательного движения;

2.     прямолинейного;

3.     периодического (храповые механизмы, мальтийские кресты)

Для главного движения самый распространенный привод – электромеханический (электродвигатель пост. или переменного тока + механическая часть: зубчатые, фрикционные передачи + передаточные механизмы, коробки скоростей, кулисные передачи, кулачковые механизмы, исполнительный орган (как правило шпиндель)).

В станках с прямолинейным (возвратно-поступательным) движением (строгальные, долбежные, протяжные станки) кроме электромеханического используют гидроприводы (гидродвигатель (силовой гидроцилиндр или гидромотор с источником энергии – насосом) + управляющее устройство (дроссели, распределители) + передача к раб. органу)

Особенность станков с ЧПУ: каждый привод имеет свой источник движения (электро- или гидродвигатель).

Виды и способы регулирования скорости:

1.     изменением частоты вращения двигателя;

2.     изменение передаточного отношения между двигателем и раб.органом в приводном механизме

Регулирование может осуществляться:

1.     при постоянной предельной мощности во всем диапазоне скоростей;

2.     при постоянном моменте;

3.     при комбинировании п1 и п2

По характеру регулирования скорости различают ступенчатое, бесступенчатое и смешанное регулирование.

Ступенчатое изменение скорости обеспечивается коробками скоростей, ступенчатыми шкивами, асинхронными двигателями и т.д.

Бесступенчатое – электродвигатель постоянного тока, гидродвигатель, механический вариатор или комбинированный привод.

 Основные параметры технической характеристики приводов главного движения, виды диапазонов регулирования и их выбор. Классификация приводов по назначению, типу и количеству источников движения, характеру регулирования скорости движения рабочего органа.Основные параметры технической характеристики приводов главного движения:

1.     предельные частоты вращения шпинделя (числа двойных ходов) n_max, n_min;

2.     промежуточные значения частот вращения шпинделя n_i;

3.     число частот вращения шпинделя z;

4.     мощность электродвигателя, кВт;

5.     максимальные габаритные размеры заготовки, мм.

Виды диапазонов регулирования:

1.      - диапазон скоростей регулирования;

2.      - диапазон частот вращения;

3.      - диапазон двойных ходов;

4.      - диапазон рабочих подач;

5.      - диапазон диаметров обработки для станков с главным                 вращательным движением заготовки;

6.      - диапазон длин обработки для станков с главным                 возвратно-поступательным движением.

Выбор диапазона регулирования реально в большинстве случаев определяется на основании статистического анализа работы аналогичного оборудования в производственных условиях.

Классификация приводов:

1.     по назначению:

·        гл.движения;

·        движения подач;

·        привод холостых ходов и быстрых перемещений;

·        быстрого поворота на точный фиксированный угол;

·        привод механизмов управления и переключения;

·        вспомогательных механизмов (н-р, зажим и разжим заготовки);

·        активного контроля размеров в процессе обработки;

·        удаления стружки и т.д.

2.     по типу источника движения:

·        электропривод;

·        гидропривод;

·        пневмопривод;

·        гидропневмопривод.

3.     по количеству источников движения:

·        все исполнительные органы получают движение от одного источника через разветвленную кинематическую цепь (токарно-винторезные, токарно-револьверные, токарно-карусельные станки);

·        каждый исполнительный орган получает движение от отдельного источника (станки с ЧПУ);

·        один или несколько раб.органов получают движение от одного или нескольких ист.движения (универсально-фрезерные станки).

4.     по характеру регулирования скорости движения раб.органа:

·        ступенчатое;

·        бесступенчатое;

·        смешанное.

Основные параметры технической характеристики приводов подач, виды диапазонов регулирования и их выбор. Классификация приводов по назначению, типу и количеству источников движения, характеру регулирования скорости движения рабочего органа.

Основные параметры технической характеристики приводов подач:

1.     предельные значения подач S_max, S_min;

2.           промежуточные значения подач S_i;

3.           число подач z_S;

4.           мощность электродвигателя, кВт;

5.           максимальные габаритные размеры заготовки, мм.

Виды диапазонов регулирования:

7.      - диапазон скоростей регулирования;

8.      - диапазон частот вращения;

9.      - диапазон двойных ходов;

10.            - диапазон рабочих подач;

11.            - диапазон диаметров обработки для станков с главным                 вращательным движением заготовки;

12.            - диапазон длин обработки для станков с главным                 возвратно-поступательным движением.

Выбор диапазона регулирования реально в большинстве случаев определяется на основании статистического анализа работы аналогичного оборудования в производственных условиях.Классификация приводов:

5.     по назначению:

·        гл.движения;

·        движения подач;

·        привод холостых ходов и быстрых перемещений;

·        быстрого поворота на точный фиксированный угол;

·        привод механизмов управления и переключения;

·        вспомогательных механизмов (н-р, зажим и разжим заготовки);

·        активного контроля размеров в процессе обработки;

·        удаления стружки и т.д.

6.     по типу источника движения:

·        электропривод;

·        гидропривод;

·        пневмопривод;

·        гидропневмопривод.

·         

7.     по количеству источников движения:

·        все исполнительные органы получают движение от одного источника через разветвленную кинематическую цепь (токарно-винторезные, токарно-револьверные, токарно-карусельные станки);

·        каждый исполнительный орган получает движение от отдельного источника (станки с ЧПУ);

·        один или несколько раб.органов получают движение от одного или нескольких ист.движения (универсально-фрезерные станки).

8.     по характеру регулирования скорости движения раб.органа:

·        ступенчатое;

·        бесступенчатое;

·        смешанное.

Ступенчатое, бесступенчатое, смешанное регулирование скорости движения рабочего органа. Знаменатель ряда частот вращения  (чисел подач), его стандартные значения и области применения, выбор. Определение мощности электродвигателя привода.

При ступенчатом регулировании скорости движения изменение скорости обеспечивается коробками скоростей, шкивами, многоскоростными асинхронными двигателями; при бесступенчатом – электроприводом постоянного тока, гидроприводом, механическим вариатором, комбинированным приводом.

1.                Сочетание одноступенчатого однофазного электродвигателя с механической коробкой передач (распространенный тип привода).

+ низкая стоимость, высокая надежность, жесткая механическая характеристика, т е при изменении нагрузки на выходе частота вращения не падает, а при изменении частоты вращения коробкой мощность сохраняется до 100 кВт.

2.                Сочетание многоскоростного АЭД с механической коробкой.

 + упрощается конструкция механической коробки, можно переключать скорости на ходу.

 - при изменении частоты вращения вала ЭД  меняется мощность ЭД. Используют до 30 кВт.

3.                Односкоростной АЭД, механический вариатор, механическая коробка скоростей.

Слабое звено – вариатор. Применяют редко из – за вариатора (недолговечность ремней).

4.                Многоскоростной АЭД с механическим вариатором.

Применяют редко из – за того, что при изменении частоты меняется мощность.

5.                Односкоростной ЭД с гидроприводом и механической коробкой передач.

Особенность: в нижней части диапазона регулирования частоты вращения осуществляется за счет изменения производительности насоса. Частота вращения увеличивается, крутящий момент постоянный, мощность увеличивается. В верхней части диапазона регулирования частоты вращения мощность постоянна, крутящий момент уменьшается, коробка дается не в нагрузку, а для увеличения диапазона регулирования.

Чаще приводы проектируют ступенчатыми. Для обеспечения рационального использования станка частоты вращения между минимальной и максимальной должны давать постоянное падение скорости при переходе с соседних частот. Рус. академик Гадомен доказал, что частоты вращения целесообразно изменять по геометрической прогрессии. Для всех интервалов ряда частот вращения шпинделя абсолютные и относительные потери скорости будут одинаковы.

Где - знаменатель геометрического ряда;

       - число скоростей.

Задаваясь значением z можно найти знаменатель геометрического ряда:

Значения, вычисленные по формулам или по графику округляют: z – до ближайшего большего целого;  - до ближайшего нормализованного значения; диапазон регулирования пересчитывают. При выборе знаменателя  и числа ступеней изменения скорости необходимо учитывать: все значения  должны быть нормализованы (табл.) для того, чтобы можно было нормализовать ряды частот вращений(двойные ходы, подачи), чтобы упростить кинематический расчет, а так же проектирование станка в целом, для упрощения модернизации, для нормирования станочных работ, сокращения подготовки производства, унификации узлов и т д

Значения знаменателя определены на основании:

·                   ГОСТ 8032 – предпочтительные числа и ряды предпочтительных чисел должны представлять собой десятичные ряды геометрической прогрессии со знаменателем

в приводе станков применяются приводы, частота вращения в которых изменяется при переключении полюсов.

Либо у трехскоростного

·                   Отраслевой стандарт рекомендует применять знаменатели ряда 1,26; 1,41; 1,58 для приводов в виде коробок.

·                   Для станков средних размеров , если нет каких –либо других условий, пожеланий заказчиков.

·                   При наличии быстросменных зубчатых колес применяют .Станки для массового и серийного производств перенастраиваются редко.

·                   В станках с большим диаметром обрабатываемых деталей  должно быть маленьким

·                   В станках с небольшими диаметрами обрабатываемых деталей  должно быть большим

·                   В приводе могут применять 2 значения . В средней части диапазона частот вращения (используемый наиболее часто) применяют меньшее значение (чаще частоты вращения), а для крайних участков  больше (отношение частот больше).

·                   Желательно, чтобы число ступеней частот вращения было 2 и 3 (количество передач в группе с одного вала на другой должно быть 2,3,4,6,8,9,12,16,18,24,27,32,36).

·                   Значение z не должно быть большим, так как это усложняет конструкцию коробки скоростей с одной стороны, а с другой стороны как можно больше, стремясь к бесступенчатому приводу.

Источники движения в приводах:

·                    Электродвигатель постоянного или переменного тока

·                    Гидродвигатель используется в гидроприводе (гидроцилиндр или гидромотор с источником энергии – насосом + управляющие устройства(дроссель, распределитель) + передача к рабочему органу)

Станки с ЧПУ. Особенность: каждый привод имеет свой источник движения (электродвигатель, гидродвигатель)

Определение мощности электродвигателя привода.

В общем случае мощность двигателя привода равна:

, где  полезная мощность;

расходуемая мощность на преодоление сил трения.

; ; ,

Где максимальная тяговая сила;

максимальная скорость рабочей подачи.

Токарные станки

Сверлильные станки

Фрезерные станки

, где мощность, рассчитанная на преодоление сил трения на холостом ходу; дополнительная часть мощности, рассчитанная на преодоление сил трения при работе под нагрузкой.

Цели и задач кинематического расчета, его последовательность. Понятие о группе передач и множительной структуре. Структурная формула и характеристика группы подач. Конструктивные и кинематические варианты.

Целью кинематического расчета является получение требуемого числа z  частот вращения или частот в требуемом диапазоне регулирования и с необходимой точностью. Исходными данными для расчета могут являться число ступеней z, , max или min значением частоты вращения или подачи z, ,, , , , R в различном сочетании этих параметров.

Последовательность кинемат. расчета:

1)                выбор варианта кинематики привода. Для кинемат. расчетов приводов  используют: аналитический, графоаналитический

2)                строится СТС и ГЧВ или ГЧП.

СТС для того, чтобы в наглядной форме выявить все возможные варианты и выбрать оптимальный вариант структуры кинематических цепей привода.

ГЧВ строится для определения конкретной величины передаточного отношения привода и частот вращения всех валов.

Группой передач называется совокупность передач, связывающих вращение двух соседних валов. Если отдельные группы передач последовательно соединить между собой, то получится структура называемая множительной.

Структура называется множительной, т. к. число частоты вращения ее выходного вала  получается перемножением числа передач в группах, образующих данную структуру. Число частот вращения определяется по структурной формуле, которая в общем виде записывается:

где  ,,,…- число передач в соответствующих группах,

к- число групп передач в структуре

Каждая группа передач имеет так называемую хар-ку.

Характеристикой группы передач называется показатель степени Х при знаменателе геом. ряда , показывающий во сколько раз изменяется частота вращения выходного вала структуры при переключении передач в данной группе и неизменных передачах в остальных группах.

Группы могут быть:

а) основной (если при переключении передач внутри нее на выходе переходим на соседнюю частоту и хар-ка этой группы основной 1)

б) первая переборная группа, хар-ка равна числу передач в основной группе;

в) вторая и последующая переборные

Последующая переборная группа имеет большую хар-ку и диапазон регулирования, поэтому отношение:

Для коробки скоростей -8, для коробки подач-14.

Конструктивные и кинематические варианты.

В принципе любая из групп передач может находиться на любом месте в структурной формуле, это определяет конструктивные варианты. Количество конструктивных вариантов определяется по формуле

где  -общее количество групп передач в структуре;

       - число групп передач с одинаковым количеством передач

В общем случае оптимальным является вариант, по которому одна группа имеет наибольшее количество передач, а количество передач в группах уменьшается  выходному валу.

Аналогично каждая из двух передач может являться основной, первой, второй и т. д. переборной.

Оптимальным кинематическим вариантом является тот, по которому основная группа стоит на первом месте в структурной формуле и имеет наибольшее количество передач.

Порядок построения СТС и ГЧВ, их характеристика, назначение, выбор оптимального варианта.

Исходные данные:

  – структурная формула                 z = 6 = 3(1)·2(3); z = 6 = 3(2)·2(1)

Если изменить порядок следования групп (сначала двойной блок, потом тройной), получим:

                                                 z = 6 = 2(1)·3(2); z = 6 = 2(3)·3(1)

Порядок построения СТС.

1) На равных расстояниях проводят столько горизонтальных линий, сколько скоростей имеет привод;

2) На равных расстояниях проводят вертикальные линии на одну больше, чем число групп передач. Поле между двумя вертикальными линиями отводится для одной группы передач. Проставляются римскими цифрами номера валов (они могут идти не по порядку), на СТС нет постоянных передач;

3) Над СТС над соответствующим полем в порядке конструктивного расположения групп в приводе указывают число передач в группе Р_i и ее характеристику X_i;

4) На середине первой левой вертикали намечают точку О, из которой симметрично горизонтали проводят лучи в количестве, равном Р_i, и с расстоянием между концами лучей на следующей вертикали, равным Х_i;

5) Из каждой полученной точки на второй и последующих вертикалях аналогичным путем проводят лучи для второй, третьей и т.д. групп передач.

Пример: z = 6 = 2(3)·3(1)

Порядок построения ГЧВ.

1) На равных расстояниях проводятся горизонтальные линии в количестве, равном количеству скоростей (или больше), и им присваиваются снизу вверх частоты вращения, начиная с n₁=n_min, потом n₂ и т.д. (в числах) из стандартного ряда значений, их столбика с соответствующим φ;

2) На равных расстояниях проводят столько вертикальных линий, сколько валов в проектируемом приводе, и нумеруют каждую вертикальную линию римскими цифрами, как на кинематической схеме;

3) Намечают цепь передач от первого вала к выходному по правилам:

  а) на крайнем левом (первом) валу ставят n_эд;

  б) построение ведут в строгом соответствии с принятым вариантом СТС (количество передач и характеристика);

  в) линия, соединяющая на графике 2 точки валов, обозначает передачу с передаточным числом i = φ^m, где m – число интервалов, перекрываемых лучом. Если луч отклоняется вниз, то m < 0.

Пример:

Для рационального построения кинематики привода для каждого значения φ для коробок скоростей и подач есть допустимые значения характеристики.

Выбор оптимального варианта кинематики.

I. Выбор оптимальной СТС.

1) Диапазон регулирования последней переборной группы должен быть наибольшим (φ = 1,26; Х_max = 9). Поэтому исключить из рассмотрения варианты, не удовлетворяющие этому условию.

2) С уменьшением частоты вращения вала при постоянной мощности крутящий момент увеличивается, а значит и увеличиваются размеры деталей передач привода («веерообразность»);

3) В качестве последней переборной группы выбирают группу с наименьшим числом передач.

II. Выбор оптимальной ГЧВ.

1) Стремиться, чтобы передаточные отношения были в пределах от 1/4 до 2. Число интервалов между лучами в соответствии с таблицей 3;

2) Для уменьшения крутящих моментов и массы деталей стремиться, чтобы лучи на ГЧВ на промежуточных валах занимали более высокое положение;

3) Желательно, чтобы число передач в группах уменьшалось от электродвигателя к шпинделю;

4) Не рекомендуется устанавливать на шпинделе станка 3 и более колес (прогиб шпинделя, вибрации). Колеса следует располагать ближе к передней опоре. Если есть одиночная передача, то ее лучше оставить на шпинделе;

5) При установке на валу коробки тормоза, муфт и т.д. не следует располагать на этом валу больше двух колес;

6) Характеристики групп должны увеличиваться от эл. двигателя к шпинделю;

7) Требуемое число z привода нужно стремиться получить при меньшем числе групп передач (меньшем количестве валов, подшипников, отверстий в корпусе);

8) Желательно уменьшить номенклатуру колес, используемых в коробке.

Расчет чисел зубьев передач МРС, действительного ряда частот вращения (чисел подач) и его отклонения от стандартного ряда.

Сумма чисел зубьев в каждой группе передач должна быть не больше 100…120. Модуль всех передач группы должен быть одинаковый (сумма чисел зубьев каждой передачи должна быть одинаковой). Минимальное число зубьев зубчатого колеса в передаче:

[Z_min] = 18…20 – для главного движения (лучше с 21);

[Z_min] = 16…17 – в приводе подач;

[Z_min] = 14 – для механизмов управления;

[Z_min] = 10…12 – для реечной шестерни.

Способы определения чисел зубьев.

1. Наименьшего кратного.

Передаточные отношения заменяются отношением целых чисел, находится их сумма, и определятся наименьшее кратное этих сумм. Затем по целым числам и наименьшему кратному определяется число зубьев всех колес группы. Если минимальное число зубьев меньше допустимого значения, то вводится коэффициент коррекции. Это отношение допустимого минимального к наименьшему расчетному числу зубьев с округлением до ближайшего большего целого.

;           

;                  

;          

;               

 – наименьшее общее кратное.

[Z_min] = 18…20;    

                                                 Z1=21       

                                                         Z2=33

             Z_наим = 7     К_кор = 3      Z3=24       

                                                Z4=30

                                                   Z5=27       

                                                   Z6=27

2. Метод задания чисел зубьев по наименьшему зубчатому колесу в группе.

Самое маленькое колесо в группе передач спрятано за лучиком, который имеет наибольший перепад в группе (вниз или вверх). Если для главного движения, то число зубьев для колеса принимаем 21 (19). Определяем Z1.

Z_min = Z1 = 21

3. Табличный метод.

В зависимости от передаточного отношения i и суммы чисел зубьев в передаче по таблицам выбирают значения чисел зубьев.

После разработки кинематической схемы привода (схема и числа зубьев) определяются фактические частоты вращения шпинделя и сравниваются с выбранными нормальными. Отклонения должны находится в пределах:

Если не попадаем, меняем числа зубьев.

Связанными являются такие ЗК, которые принадлежат к 2-м смежным группам передач, т.е. работают ведущими и ведомыми.

+ Сокращается номенклатура ЗК, уменьшаются осевые габариты, сокращается металлоёмкость привода и трудоёмкость изготовления.

- Некоторое увеличение радиальных габаритов из-за увеличения нагрузки на связанные колёса. Сложнее кинематический расчёт.

1)    Односвязанное колесо. Расположение связанного колеса самое простое i₁=i₂=1.

При применении односвязанного колеса, число ЗК сокращается на одно, незначительно, но сокращаются осевые габариты. Кинематический расчёт без изменений.

2)    Двухсвязанные колёса. Число колёс меньше на 3, осевые размеры уменьшаются на ширину 4 ЗК.

3)    Трёхсвязанные колёса. Колёс меньше на 3, осевые размеры уменьшаются на ширину 7 ЗК. Проблема – не обеспечивают изменение скоростей по геометрическому ряду, поэтому, как правило, не применяются. Используются в механизмах с вытяжными шпонками, в механизмах цилиндров механических передач.

Совпадение скоростей

В обычных множительных структурах характеристики групп передач: основной х₀=1, первой переборной х₁=Р₁, второй переборной х₂=Р₁Р₂ и т.д. При этом иногда диапазон регулирования последней переборной группы оказывается больше допустимого. В этих случаях, с целью сохранения принятой множительной структуры, за счёт сокращения общего диапазона регулирования, уменьшают характеристику последней переборной группы до допустимых значений; это ведёт к совпадению ряда скоростей на последнем валу и уменьшению общего числа ступеней привода.

Вариатор

В приводах станков иногда удобно применять вариаторы. При небольшом диапазоне регулирования чисел оборотов используются только вариаторы, если же требуемый диапазон больше диапазона бесступенчатого регулирования, то вариаторы комбинируют с шестерёнными коробками и в этом случае диапазон регулирования привода R_n=R_mR_б,

где R_m – диапазон регулирования коробки,

R_б – диапазон регулирования вариатора.

Для того чтобы ряд чисел оборотов в пределах от n_min до n_max был непрерывным, коробка скоростей должна иметь ряд таких передаточных отношений, чтобы при i₁ получался бесступенчатый ряд от n_min до n_minR_б, при i₂ – от n_minR_б до n_minR²_б …, и при i_m – от n_minR^m-1_б до n_minR^m_б, где m – число ступеней коробки. Отсюда видно, что знаменатель ряда передаточных отношений коробки

К<1 – коэффициент проскальзывания вариатора. Например:

Переборы

Для получения более низких частот вращения шпинделя. Движения передаётся с 1 на 3 вал; i=1, либо Z₂/Z^’₂* Z₃/Z^’₃, i₁=i₂=

Многоскоростные двигатели

В МРС используют 2-х, 3-х и 4-х скоростные двигатели. При переключении полюсов в 2 раза, синхронные частоты вращения уменьшаются тоже в 2 раза (750 и 1500; 750 и 3000; 750, 1500 и 3000).

Есть электродвигатели: 750/1000/15000

                                      500/1000/1500/3000

На станках, где нужен геометрический ряд частот вращения, можно применять только двигатели с удваивающейся частотой .

При применении в приводе станка многоскоростного электродвигателя и коробки скоростей число ступеней скоростей на выходе Z=y*m, где

у – число ступеней ЭД;

m = k*E₂ – число ступеней коробки;

k – целое положительное число.

yk=Z/E₂

Z должно быть кратно Е₂

Z/E₂ должно делиться на 2 или 3, в зависимости от числа ступеней ЭД.

Пример:

Z=24, φ=1.12, E₂=6, yk=24/6=4

у=2, к=2, m=2*6=12

у=4, к=1, m=1*6=6

4-х скоростного ЭД с удваивающейся частотой нет.

Коробка должна иметь 12 скоростей

При применении многоскоростного ЭД, его рассматривают как электрогруппу.

Характеристика электрогруппы:

ЭД постоянного тока

Можно получить любую скорость

,

где Р_Э – число ступеней скоростей ЭД

m – число ступеней коробкию.

Точность вращения устанавливается соответствующими ГОСТами в зависимостиот типа и назначения станка. Регламентируются следующие параметры: радиальное биение центрирующей шейки шпинделя, конического отверстия, осевое биение шпинделя, торцевое биение опорного буртика шпинделя.

Жесткость ГОСТами не регламентирована. Жесткость шпинделя устанавливается исходя из баланса жесткости станка (система СПИД). И эти нормы регламентированы ГОСТами. Наибольшее вляние на жесткость оказывает диаметр шпинделя. Межопорное расстояние влияет на деформацию шпинделя. При проектировании следует стремиться с одной стороны к увеличению жесткости(увеличение диаметра), с другой стороны при этом падает быстроходность. Результатом расчета на жесткость является величина прогиба конца шпинделя которая должна быть на радиальное биение шпинделя. А максимальный прогиб между опорами не больше 0,0002 от расстояния между опорами.

Виброустойчивость определяется динамическими свойствами – амплитудой колебаний переднего конца шпинделя и частотой собственных колебаний. Виброустойчивость станка на 40-50% определяется параметрами шпиндельного узла. Чем выше собственная частота и меньше резонансная амплитуда тем лучшими динамическими показателями обладает шпиндельный узел.

Быстроходность шпинделя определяется конструктивными и технологическими особенностями станка. Быстроходность оценивается по произведению частоты вращения шпинделя и диаметра передлнего подшипника. (nÄd)

Установка каждого дополнительного подшипника снижает быстроходность на 25%, применение керамических подшипников повышает быстроходность до 2х раз.

Несущая способность шпинделя

Для большинства шпиндельных опор несущая способность и выбранная по критериям жесткость предельно допустимая статическая нагрузка подшипника соответствует предъявляемым к шпиндельным опорам требования, применяются опоры с высокой несущей способностью.

Долговечность шпиндельных опор ГОСТами не регламентируется. В паспорте устанавливается срок службы. Ниже срок службы у расточных и шлифовальных станков.

Теплостойкость. Допускаемый нагрев подшипников шпиндельных опор зависит от точности станка. Гостами устанавливается 50^о плюс комнатная температура. Практикой установлены следующие значения для станков Н 60-70^о, П 50-55⁰, В 40-45⁰, А 35-40⁰, С 28-30⁰ Нагрев опор приводит к изменению натяга в подшипниках, снижается несущая способность, уменьшается жесткость.

Быстрота и точность закрепления инструмента или заготовки в шпинделе, возможность автоматизации.

Минимальные затраты на изготовление, сборку, эксплуатацию шпиндельного узла.

Преречисленные требования могут быть обеспечеты правильным выбором: материала и т/о, конструкции опор, допуска на размеры, технологические условия сборки и регулировки, правильная эксплуатация, своевременная(постоянная) смазка.

Конструкция шпинделя зависит от типа, размера, класса точности и других характеристик станка.

 3 разновидности шпиндельных узлов:

а) шпиндели со сквозным отверстием и наружным или внутренним посадочным отверстием под ТО;

б) шпиндели с несквозным отверстием и внутренним посадочным отверстием под ТО (сверлильно-расточная группа);

в) Шпиндели не имеющие сквозного отверстия ( шлифовальные).

Технические требования:

1) точность размеров

2) точность формы поверхности

3) точность расположения поверхностей

4) качество поверхностей

5) для высокоскоростных шпинделей – допустимый дисбаланс

Точность размеров:

 Точными должны быть диаметральные размеры опорных поверхностей и посадочных поверхностей под технологическую оснастку (ТО). Обычно 6 кв., в прецезионных – 5кв.

Посадочные поверхности под  зубчатые колеса  7 кв. реже 6, остальные по 9-12 квалитету. Резьб. Поверх.отверстия 6 степени точности, остальные наружные 8, внутренние – 7.

Точность формы поверхности:

Регламентируется для опорных и посадочных отверстий. Допуск формы ответственных поверхностей шпинделя для станков нормальной точности не более 50% допуска соответствующего диаметрального размера, повышенной – 25%, для станков Б и В -  5-10%.

Отклонение от круглости поперечного сечения и профиля продольного сечения диаметра 100..120 мм подшипники качения: 3…0,8 мкм, отклонение продольного сечения 2,5…0,6 мкм, для подшипников скольжения отклонение от круглости 1,5…0,3 мкм

Посадочные отверстия под ТО отклонения от круглости 15…3 мкм

Точность расположения поверхностей:

Наиболее важным для точности вращения шпинделя торцевых опорных поверхностей. Под подшипники относительно подшипниковых шеек допуск торцевого биения 4…1 мкм. Отклонение от соосности опорных и посадочных поверхностей 10…3 мкм.

Качество поверхностей:

Шероховатость поверхностей: опорные под подшипник качения 0,4…0,01 мкм, скольжения – 0,2…0,01 мкм. Наружные посадочные под ТО 0,4…0,1 мкм, под внутренние – 0,4…0,01 мкм. Под ЗК 0,8…0,2 мкм. На остальные поверхности 6,3…1,6 Ra.

Требования по твердости зависят от материала и т/о.

Подшипники качения: норм. 40-45HRC, повыш. 48-52HRC, выше.до 65 HRC

Подшипники скольжения: норм. 50-56HRC, повыш. 56-62HRC, выше.до 68 HRC.

Шпиндели сложной формы ст. 50Х, 40ХГТ объемная закалка тв. до 60 HRC. Для прецезионных станков низкоуглеродистые стали 20Х, 18ХГТ + цементация + закалка. Для слабонагруженных высокоточных станков для уменьшения внутренних напряжений применяют азотируемые стали 38ХМЮА + закалка до  68 HRC. Шпиндели большого диаметра с отверстиями иногда выполняются из чугуна  СЧ20.

Допустимы дисбаланс:

Предъявляется только к высокоскоростным шпиндельным узлам, балансируется не только не только шпиндель, но и все составляющие, а также в сборе. Для станков нормальной точности дисбаланс не более 20-30 гÄсм, для прецезионных станков 1-2 гÄсм.

Выбор типа передачи на шпиндель(зубчатая или ременная) зависит в первую очередь от частоты вращения и от величины передаваемой силы. Зубчатая передача более проста и компактна и передает значительные крутящие моменты. Однако из-за ошибок шага она не сможет обеспечить высокое качество обработки на прецезионных станках а в станках с переменными силами резанья уменьшает плавность вращения шпинделя и возрастают динамические нагрузки в деталях коробки скоростей.

Применение ременной передачи получает некоторое увеличение размеров и усложнение конструкции, так как шкив следует устанавливать на самостоятельные опоры что бы разгрузить шпиндель. Однако в этом случае обеспечивается плавность вращения и высокое качество обработки. Для станков с прерывистым резаньем применение ременной передачи снижает максимальные значения крутящих моментов.

29.Опоры качения шпинделей(приимущества и недостатки, выбор, особенности расчёта, виды уплотнений, способы создания предварительного натяга, способы смазки). Особенности конструкций быстроходных шпиндельных узлов с опорами качения.

         По виду применяемых опор шпиндели делят на 2 гр:

-опоры качения

-опоры скольжения(гидростатические, гидродинамические, аэростатические)

         Типы опор шпинделя определяют форму посадочных мест, выбираются на основании требований точности и быстроходности.

         В зависимости от быстроходности шпинделя применяют следующие методы смазки: погружение; разбрызгивание; циркуляционное; капельное; масляный туман; под давлением.

Погружение - для шпиндельных узлов практически не применяется из-за потерь в опорах, из-за загрязнённого масла.

Циркуляционное - кроме смазки осуществляет теплоотвод от опор, чаще всего система общая для шпинделя и коробки.

Капельный метод – индивидуально для каждой опоры. Расход масла 1-100 гр/час.

Масляный туман – при вращении з.к., погружённых в масляную ванну и имеющих v>2 м/с(<12) внутри коробки, в которую входит шпиндельный узел образуется взвесь масла во всём объёме, в котором смазывается всё. Масляный туман м.б. создан специальными форсунками (масло распылители).

Под давлением (или проточное) для опор, работающих в особо напряжённых условиях (повышенные частоты вращения). Масло через специальные дозаторы периодически или постепенно впрыскивается м/у сепаратором и кольцом подшипника, преодолевая воздушный барьер, создаваемый телами качения при высоких частотах вращения.

Твёрдые смазочные материалы(консистентная смазка) применяются в шпиндельных узлах при низких частотах вращения. А также для узлов, расположенных вертикально и под углом.

Избыток смазочного материала в опоре ведёт к увеличению трения, повышению температуры и вытеканию смазочного материала.

Уплотнения шпиндельных узлов: для защиты подшипников в шпинделе от проникновения грязи, пыли, охлаждающей жидкости, а также препятствуют вытеканию смазочного материала из подшипника. Чаще всего и лучше применяют бесконтактные лабиринтные уплотнения для уменьшения трения в узле и изнашивания уплотнения. Для надёжной работы нужно, чтобы радиальные зазоры в них были не более 0,2-0,3 мм. При работе в условиях тяжёлой загрязнённости лабир. Заполняют твёрдым смазочным материалом. Иногда применяют продувку воздухом через уплотнения (изнутри). В уплотнениях размещают полости (каналы для отвода смазочного материала в подшипниках).

Конструктивные разновидности шпиндельных узлов: 1 из главных признаков шпиндельного узла является тип опор, наибольшее распространение получили подшипники качения: прецизионные конические и цилиндрические роликоподшипники, упорно-радиальные шарикоподшипники и радиально упорные шарикоподшипники. Подавляющее большинство шпиндельных узлов создаётся на базе типовых конструктивных схем.

Для закрепления внутреннего кольца подшипника в шпиндельных узлах станков Н и П точности применяют корончатую гайку с лепестковой шайбой или 2е корончатые гайки.

В шпиндельных узлах прецизионных станков используют специальные конструкции гаек, имеющие промежуточный самоустановочный элемент. Для обеспечения осевого перемещения инструмента шпиндельный узел монтируется в специальной гильзе (пиноль). Привод осевого перемещения гильзы со шпинделем м.б. ручным или механическим.

Гидродинамические опоры когда требуется высокая и постоянная Vрез (шлифовальные станки). В станках применяют многоклиновые подшипники различной конструкции. Применяют с фасонной расточкой втулок, упругодеформированные втулки и самоустанавливающиеся сигм. Упорные гидродинамические выполняются многоклиновыми со специальными скосами, рабочая ж-ть Н5А,…,Н20А. Рабочий зазор 0,002D.

Недостатки:

-нестабильность положения оси шпинделя при изменении скорости вращения.

-повышенный износ в момент пуска и остановки.

-ограничения ж-ти.

-создание систем для подкачки масла и удерживание его в опоре.

-сложность изготовления, монтажа, эксплуатации.

Гидростатические опоры обеспечивают высокую точность вращения, обладают высокой демпфирующей способностью, что значительно повышает виброустойчивость шпиндельного узла, имеют практически неограниченную долговечность, высокую нагрузочную способность при любой частоте вращения шпинделя. Гидростатические опоры могут быть использованы в качестве датчиков силы в системах адаптивного управления, в качестве приводов микроперемещений.

Принцип действия  гидростатического подшипника основан на том, что при прокачивании масла под давлением от внешнего источника через зазоры между сопряжёнными поверхностями в зазоре образуется несущий масляный слой, исключающий непосредственный контакт поверхностей даже при невращающемся шпинделе. В радиальных подшипниках равномерно по окружности делают полости-карманы, куда через дроссели подаётся под давлением масло от источника питания(насоса). При приложении внешней нагрузки вал занимает эксцентричное положение, зазоры h в подшипнике перераспределяются, что приводит к увеличению давления p масла в одних карманах и уменьшению в противоположных. Уравнения давлений в карманах не происходит вследствие наличия дросселей на входе в каждый карман. Разность давлений создаёт результирующую силу Fc воспринимающую внешнюю нагрузку. Отвод смазочного материала производится через торцы подшипника, иногда и через дренажные канавки, выполненные на перемычках между карманами.

Аэростатические – малые потери на трение, высокая точность вращения, долговечность бесконечна. Применение – высокоточные, высокоскоростные шпиндельные узлы. В качестве рабочей среды используется очищенный и осушённый воздух, давление 0,3-1 МПа. Радиальные аэростатические подшипники имеют 6-12 питающих дросселей, d которых 1-3мм, глубина 0,02-0,04 мм. Рад. Зазор определяется 2мя высотами кармана, отношения к диаметру опоры 2Н/Dоп.

Магнитные опоры применяют в высокоскоростных шпиндельных узлах.

+использование 1 вида энергии

+нет потерь на трение

+экологически чистый.

Наиболее распространены электромагнитные опоры с внешней автоматической стабилизацией.

Базовые детали металлорежущих станков служат для создания требуемого пространственного размещения узлов, несущих инструмент и обрабатываемую деталь, и обеспечивают точность их взаимного расположения под нагрузкой. Совокупность базовых деталей между инструментом и заготовкой образует несущую систему станка. К базовым деталям относят: станины, основания, колонны, стойки, поперечины, ползуны, траверсы, столы, каретки, суппорты, планшайбы, корпуса шпиндельных бабок и т.п.

По форме условно можно разделить на 3 группы: брусья – детали, у которых один габаритный размер больше двух других; пластины – один размер значительно меньше двух других; коробки – габаритные размеры одного порядка.

Базовые детали должны иметь:

Первоначальную точность изготовления всех ответственных поверхностей для обеспечения требуемой геометрической точности станка;

Высокую жесткость, определяемую контактными деформациями подвижных и неподвижных стыков, местными деформациями и деформациями самих базовых деталей;

Высокие демпфирующие свойства

Долговечность, которая выражается в стабильности формы базовых деталей и способности направляющих сохранять первоначальную точность в течение заданного срока эксплуатации.

Малые температурные деформации.

Станины: в зависимости от расположения оси станка: горизонтальные и вертикальные. Они несут на себе основные подвижные и неподвижные части станка. Форма поперечного сечения горизонтальных станин определяется требованиями жёсткости, расположением направляющих, условиями удаления стружки и охлаждающей жидкости, размещением в станине различных механизмов, агрегатов, и резервуаров для масла и охлаждающей жидкости.

Основные типы представлены на рисунке

Станина с двойными стенками (б) в 1.3 -1.4 раза жестче, чем станины с одинарными (а), Внутренние полости часто делают замкнутыми и оставляют в них стержневую смесь. Замкнутый профиль имеет гораздо большую жёсткость, чем разомкнутый, а сыпучий материал увеличивает демпфирующие свойства. Применяются так же станины, у которых стружка отводится через окна в задней стенке (в). Сечение станин с наклонной задней стенкой и расположением направляющих на разном уровне (г), обладают высокой жесткостью и создают хорошие условия для отвода стружки, но усложняется конструкция суппортов. Для тяжёлых станков используют (д), для высокопроизводительных гидрокопировальных, многорезцовых станках и в станках с программным управлением (е).

Вертикальные станины (стойки):

Стойки, испытывающие нагрузки в плоскости симметрии (например, вер-сверл) – (а,г). Если  же нагрузка пространственная (например - фрезерные), то делают ближе к квадрату форму (б), это обеспечивает повышенную жёсткость на кручение. Стойки имеют круглое сечение (в), если необходимо обеспечить поворот узлов относительно оси стойки (рад-свер).

Увеличение жёсткости добиваются с помощью поперечных и продольных рёбер. Расстояние между рёбрами <400мм во избежание коробления.

Плиты – служат для повышения устойчивости станков с вертикальными станинами, их применяют в станках с неподвижной заготовкой. Высота не должна быть меньше 1/10 длины плиты.

Коробчатые детали. Жескость коробок увеличивают за счёт увеличения жескости стенок непосредственно в месте приложения нагрузки путём постановки бобышек и рёбер. Отверстия в стенках снижают жёсткость коробок пропорционально соотношению площадей отверстия и стенки.

Салазки и суппорты – при конструировании салазок приходится учитывать противоречия:  уменьшение массы и размеров по высоте, с одной стороны, и увеличение жесткости за счёт увеличения высоты сечения салазок.

Столы – служат для поддержания и перемещения заготовок при обработке:

Бывают подвижные и неподвижные. Подвижные имеют одну систему направляющих, т.е. перемещаются в одном направлении. Столы неподвижные (рад-сверл, протяж. ст.) и подвижные консольные (вер-сверл, попер-строг.) имеют коробчатую форму с внутренними перегородками и рёбрами, повышающими их жёсткость.

Основными материалами базовых деталей, удовлетворяющих условиям стабильности, жесткости и виброустойчивости, являются чугун и низкоуглеродистая сталь. Значительно реже применяют бетон, да и то в качестве материала для оснований или станин. Чугун – дешёвый, хорошие литейные свойства, мало коробиться, но низкие мех свойства. В основном для больших и громоздких конструкций. Углеродистую сталь – для сварных конструкций простой формы. Повышенная жёсткость при той же массе (в сравнении с чугуном), применят в станках при ударных и очень больших нагрузках. Бетон- хорошо гасит вибрации, что увеличивает динамическую жесткость станка. Тепловая инерция, то есть менее чувствителен к изменению температуры, чем чугун, дешевле чугуна, но попадание масла на бетон повреждают его, меры по защите от влаги и масла, также применяют железобетон, обеспечивая такую же жесткость, что и чугун экономия металла 40-60%.

Направляющие обеспечивают траекторию движения в конечном счете заготовки (инструмента), точность перемещения узлов и воспринимают внешнюю силу.

         Требования: -точность перемещения подвижного узла,

-эксплуатационная долговечность (малый износ),

-высокая жесткость,

-высокие демпфирующие свойства,

-малые силы трения.

Конструктивные требования:

-простота конструкции и изготовления,

-близость тягового устройства к центру тяжести,

-возможность регулировки зазора, натяга,

-благоприятное расположение в рабочем пространстве.

         Классификация 1-по виду трения м/у подвижными элементами

-скольжения

-качения

-комбинированные

2- по характеру трения

-полужидкостное (по материалу трущихся пар)

                   -чугун-чугун

                   -чугун-сталь

                   -чугун-текстолит и др

-жидкостное (по принципу образования несущего масляного слоя)

                   -гидродинамические

                   -гидростатические

-аэростатические

Полужидкостное возникает на смазанных направляющих, при этом суммараная сила от взаимодействия контактирующих поверхностей деталей и силы вязкого сопротивления смазки не разделяющей полностью эти поверхности. Если смазка полностью разделяет трущиеся поверхности, то трение жидкостное.

3-в зависимости от траектории движения подвижного узла

-прямолинейные

-круговые

4 они же делятся на

-горизонтальные

-вертикальные

-наклонные

5 По форме поперечного сечения

-прямоугольные

-треугольные

-трапецевидные

-цилиндрич

6 Каждую из форм направляющих можно использовать в виде

-охватывающих

-охватываемых

Форма поперечного сечения

Направляющие смешанного трения (скольжения).

Преимущества +высокая контактная жесткость,

+хорошие демпфирующие свойства,

+надёжная фиксация подвижного соединения после перемещения в заданную позицию

Недостатки: -непостоянство сил сопротивления,

-большие силы трения.

-большая разница м/у силами, необходимыми в начальный момент движения и для поддержания перемещения приводит к скачкообразному движению, особенно при малых скоростях, т.о. ниже точность.

Пути решения:- применение антискачковых масел,

-накладки из антифрикционных материалов.

Материал направляющих:

*СЧ ( часто выполяют как одно целое с базовой деталью).+простота, +дешево, -небольшая долговечность

*стальные , чаще в виде отдельных планок, которые приваривают к сварным станинам, а к чугунным крепят винтами или приклеивают (сталь 20,20Х, 18ХГТ, 40ХФ, ХВГ, ШХ15),

*цвет сплавы (алюминевые бронзы, оловянистые бронзы, цинковый сплав)

+высокая износостойкость, +не бывает задиров, + равномерное усилие перемещения, -дорого,

*пластик, +высок характеристики трения, +хорош антизадирные св-ва, +равномерность усилий, -высокий износ, - проблемы направляющих с кислотами, маслами.

(фторопласт, композиты на основе эпоксидных смол, присадки различных порошков металлических).

Направляющие жидкостного трения.

Жидкостное трение можно обеспечить а) за счет гидродинамического эффекта,

б) гидростатич (подача масла м/у направляющими под давлением)

+нет износа направляющих, +высокие демпфирующие св-ва, +плавность хода,

Направляющие качения

+хорошие характеристики трения, равномерность и плавность движения при малых скоротях, +высокая точность установочных перемещений, +малые потери на трение, небольшое тепловыделение, +простота системы смазки.

-высокая стоимость, -высокая трудоемкость изготовления, -низкое депфирование, -повышенная чувствительность к загрязнению.

Чугун применяют редко, в основном использ стальные направляющие.

Для  устранения вредного влияния зазоров и увеличения жесткости направляющих создают предварительный натяг, который м.б. получен за счет веса узла и внешней нагрузки. Недостаток такого способа натяга -невозможность выбора оптимальной величины натяга и отсутствие регулировки.

Защита направляющих.

Необходима для предохранения от попадания на рабоч поверхность  грязи, мелкой стружки. Отсутствие защиты ускоряет изнашивание, снижает долговечность. Наиболее чувствительны к загрязнению- направл качения.

Применяют:

-войлочное уплотнение(но быстро загрязняется),

-полимерное уплот (защищает от мелких повреждения и от попадания крупной стружки.)

-телескопические щитки (из листовой стали),

-защитные ленты (используют при большой длине хода),

-гармоникообразные меха (увеличивают габариты), изготавл из полимеров.

Расчет направляющих качения:

1)на предельно допустимую нагрузку,

2)на прочность поверхностного слоя и отсутствие пластических деформаций,

3)определение упругих перемещений,

4)долговечность,

5)определяют величины предварительного натяга

Гидростатические и аэростатические направляющие. Комбинированные направляющие. Защита.

Гидростатические -более распространены в МРС чем гидродинамические, обеспечивают жидкостное трение, в т.ч. момент трогания и остановки, а также одинаковый масляный слой при различных скоростях.

-необходимость системы смазки, -необх фиксация узла в заданном направлении.

Гидростат направл имеют карманы, в которые под давлением подается масло, вытекая через зазор наружу, оно создает масляную подушку по всей площади контакта.

По характеру восприятия нагрузки: -незамкнутые, -замкнутые

Комбинированные направляющие. Сочетание направляющих разного типа в одной конструкции. Лучший вариант – направляющие качение+скольжения+облицовка полимерными материалами. «+»:

хорошие характеристики трения; высокая жесткость; демпфирование; беззазорное в главном направлении; дешевле чем направляющие качения.

Элементы качения могут быть на основных (при тяжелых перемещениях), дополнительных и вспомогательных гранях. Остальные грани – полужидкостное трение. Грани скольжение выполняют с частичной разгрузкой роликовыми опорами – повышает точность обработки.

Направляющие с боковыми гранями качения. Использование в станках, где необходимо устранить переориентацию узлов при реверсе (расточные, многооперационные, вертикально-фрезерные…). Гидроразгрузка направляющих п/жидкостного трения – подача масла под давлением. Прим. для наиболее ответственных направляющих. Автоматические системы выбора давления в карманах снижают коэф-т трения, увеличивают долговечность, надежная фиксация узла после перемещения.

Комбинации гидростатических опор и направляющих качения используются в качестве способа создания замкнутых гидростатических опор. Подпружиненные катки обеспечивают надежное замыкание гидростатических опор, даже при отсутствии внешней нагрузки.

Защита направляющих. Необходима для предохранения от попадания на рабочую поверхность грязи, мелкой стружки… Отсутствие защиты ускоряет изнашивание, снижает долговечность. Применяют:

1. войлочное уплотнение. Быстро загрязняется, чаще заменяют;

2. полимерное (комбинированное). Щит. Защита от механических повреждений и попадания стружки;

3. телескопические щитки. В средних, тяжелых станках, при большом ходе узла. Выполнены из листовой стали;

4. защитные ленты. При большой длине хода. Бывают стальные, текстовиниловые, п/а пленка, армированная капроновая сетка. Края ленты смазывают и поджимают;

5. гармоникообразные меха. Высокая герметичность, применяют в шлифовальных и презеционных станках. В сложенном состоянии – увеличивают габариты; по причине провисания добавляют каркас; для защиты от прожига – добавка напыления или фольги.

Организация ремонта и обслуживания. Применяется система планово-предупредительного ремонта (ППР). Основные положения:

1. Ремонт оборудования производится через равные, заранее планируемые промежутки времени (межремонтные периоды).

2. Период времени от начала работы станка до его капитального ремонта является ремонтным циклом, станок после этого должен отвечать всем требованиям, предъявляемым к новому станку.

3. Структура ремонтного цикла (чис­ло периодических ремонтов в цикле, их вид и чередование) одинакова для различных типов станков.

4. Длительность межремонтного периода является одной из основных характеристик ремонтного цикла оборудования и устанавливается в зависимости от типа станка и условий его работы.

5. Содержание и трудоемкость работ в плановом ремонте характеризуются числом слесарных и станочных нормочасов.

6. Трудоемкость ремонта определяют с помощью групп ремонтной сложности станка R —коэффициента, показывающего, во сколько раз трудоемкость ремонта данного станка больше, чем трудоемкость ремонта станка-эталона.

7. Объемы ремонтных работ являются средними и допускают отклонения как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения в зависимости от фактического состояния станка.

8. Кроме периодических ремонтов предусмотрено межремонтное обслуживание станков, при котором кроме профилактических мероприятий производят малотрудоемкий ремонт и ремонт некоторых быстро изнашивающихся деталей.

9. Также планируются осмотры и проверки станка на точность для выявления состояния оборудования и уточнения объема ремонтных работ.

Смазка трущихся поверхностей станков устраняет их непосредственный контакт, благодаря чему не только значительно уменьшаются силы трения, но и создаются условия для устранения или резкого уменьшения износа поверхностей. В сопряжениях станков имеют место различные виды трения.

Жидкостное трение — гидродинамическое и гидростатическое (подача смазки под давлением). Жидкостное трение обладает рядом недостатков: усложнение конструкции системы смазки, наличие масляного слоя между поверхностями, величина которого зависит от нагрузки, может нарушить точность перемещения узла. Неполная смазка, когда между поверхностями возникает граничное трение (слой смазки порядка 0,1 мкм и менее) или полужидкостное трение (смешанное трение, одновременно жидкостное и граничное или сухое). В этом случае износ поверхностей значительно меньше, чем при отсутствии смазки, но избежать его полностью нельзя, так как может появиться непосредственный контакт трущихся тел. В качестве смазочных материалов в станках применяются жидкие минеральные масла и густые (консистентные) мази. Преимущественное распространение получили минеральные масла, которые лучше подходят для смазки ответственных быстроходных сопряжений и позволяют более легко осуществлять централизованную смазку с ее циркуляцией и очисткой от загрязнения. Выбор того или иного сорта смазки зависит в первую очередь от скоростей относительного скольжения и нагрузок, действующих в сопряжениях. Наиболее совершенна централизованная смазка, которая надежно обеспечивает смазку всех основных узлов станка.

Особое значение для станков, имеет смазка шпинделей направляющих скольжения. Для смазки направляющих, которая способствует значительному увеличению их долговечности, применяются разнообразные методы. Простейшими, но менее совершенными, являются смазка ручным способом и при помощи индустриальных масленок. Непрерывная подача масла может осуществляться специальными роликами, помещенными в масляных карманах станины, при помощи насоса или при наличии масляной ванны. Для распределения масла по всей поверхности трения на направляющих выполняют специальные смазочные канавки. Также бывает смазка разбрызгиванием, погружением, циркуляционная, капельная, масляный туман и под давлением.

При работе смазочных систем большое значение имеет надежная фильтрация масла, чтобы инородные частицы и продукты износа при его циркуляции не попадали на трущиеся поверхности, так как это приведет к их интенсивному износу.

Система охлаждения. Для снижения тепловой напряженности процесса резания применяются смазывающе-охлаждающие вещества (СОВ). Чаще всего применяют жидкости-эмульсии и масла, с добавками твердых смазывающих веществ (графит, парафин, сернистый молибден и др.). Необходимо, чтобы жидкость наряду с высокими охлаждающими свойствами обладала хорошей маслянистостью и вымывающей способностью, была безвредна для рабочих и оборудования. Охлаждающе-смазочная жидкость может быть подведена в зону резания различными способами, наиболее простой — полив свободно падающей струей. Однако в этом случае смазывающее действие жид­кости ничтожно, так как она почти не попадает в зону контакта инструмента с заготовкой и со стружкой. Кроме того, возникает сильное разбрызгивание жидкости. Лучший эффект дает подача жидкости под давлением причем струя направлена в зону резания. Находит применение также подвод жидкости под давлением, через отверстия в инструменте.

Хороший эффект дает, как правило, охлаждение жидкостью, распыленной при помощи струи сжатого воздуха.

Системы охлаждения обычно включают в себя: насос для подачи жидкости под давлением; трубопроводы и арматуру; фильтры; резервуар для жидкости; иногда применяют устройства регулирования температуры.

Паспортизация. В паспорте изображается общий вид оборудования и общие сведения о нем: тип станка, модель, завод-изготовитель, год выпуска, класс точности, масса, габаритные размеры и др. Паспорт состоит из нескольких разделов: основные данные (размеры предельные перемещения); привод (электродвигатели, ремни, цепи, подшипники, муфты…), кинематическая схема станка; механика станка (частоты вращения шпинделя, числа двойных ходов, крутящие моменты и мощности, подачи, допустимые силы резания, общий к.п.д. и к.п.д. кинематических цепей); гидравлические механизмы; системы смазки; изменения в станке; дата капитального ремонта; принадлежности и приспособления; таблицы настройки станка; схемы управления; электрические схемы; чертежи быстроизнашивающихся деталей и т.п.

Области эффективного применения станков и станочных комплексов.

Обычно технологический процесс изготовления детали на станке позволяет одновременно закреплять заготовку, менять режущий инструмент, устанавливать необходимые режимы резания. Но практически на станке с ручным управлением рабочий все эти вспомогательные операции выполняет последовательно. Аналогичная ситуация имеет место и с рабочими операциями.

Увеличение масштабов производства, потребность в изготовлении большого количества одних и тех же машин обусловили появление универсальных станков – автоматов и полуавтоматов.

Особенностью станков-автоматов является высокая производительность, что достигается совмещением вспомогательных и рабочих операций, высокими скоростями выполнения всех вспомогательных перемещений, большим количеством одновременно работающих инструментов.

Хотя станки-автоматы рассматриваемого вида и называют универсальными, возможность их переналадки значительно ниже, чем станков с ручным управлением.

На станке с ручным управлением рабочий, закончив изготовление очередной детали, может сразу же приступить к изготовлению по другим чертежам совершенно иной детали. На универсальном станке-автомате такая переналадка занимает несколько часов, а подготовка к переналадке (проектирование и изготовление кулачков, копиров, разработка циклограмм и карт наладки) – несколько дней. Поэтому фактическая производительность автоматов в условиях мелкосерийного производства оказывается низкой.

Таким образом, универсальные автоматы и полуавтоматы наиболее эффективны в том производстве, где не требуется частые переналадки оборудования, т.е. в крупносерийном производстве.

Стремление максимально повысить производительность при больших масштабах производства привело к созданию специализированных и специальных станков автоматов. Специализированными называются станки-автоматы, которые могут быть переналажены на обработку небольшой группы однотипных деталей (например, колец подшипников качения). Специальные станки-автоматы создаются для обработки одной единственной детали (например, коленчатого вала). Узкая специализация такого оборудования приводит к значительному упрощению его компоновки, конструкции и системы управления, что позволяет обеспечить более высокую производительность и эффективность по сравнению с универсальными автоматами в условиях крупносерийного и массового производств.

При смене выпускаемого изделия большинство специализированного оборудования оказывается ненужным, несмотря на полную работоспособность.

Одним из методов решения поставленной задачи является унификация узлов (агрегатов), механизмов, деталей и систем управления станокв-автоматов, что и привело к созданию агрегатных станков. За счет различных комбинаций унифицированных элементов можно быстро создавать высокопроизводительные специализированные станки-автоматы самого различного технологического назначения. Оригинальными в таких станках остаются только те узлы, конструкция которых связана с индивидуальными особенностями обрабатываемых деталей (шпиндельные коробки, зажимные приспособления), но и эти узлы собираются из унифицированных деталей.

Автоматические линии из агрегатных, специальных и универсальных станков автоматов обеспечивают дополнительное (в несколько раз) повышение производительности труда за счет автоматизации межстаночных транспортных операций, загрузки заготовок и выгрузки готовых деталей. Для обработки наиболее сложных и трудоемких деталей машин применяются комплексы автоматических линий, которые кроме металлорежущего оборудования встраиваются контрольные автоматы, моечные машины, агрегаты для термической обработки, промышленные роботы, накопители, автоматы для клеймения и другое оборудование. В составе автоматических линий могут быть также сборочные автоматы.

Для автоматических линий характерно расположение всего оборудование в порядке последовательности операций технологического процесса, выполняемых без вмешательства человека (необходимы лишь периодический контроль, наладка, профилактическое обслуживание и устранение неполадок).

Автоматическим линиям присущи, однако, и недостатки. Прежде всего – это высокая трудоемкость, а иногда и невозможность переналадки линии на другую деталь (даже родственную) и тем более на другой технологический процесс. Имеет место также простои работоспособных станков, агрегатов из-за неполадок в другом оборудовании входящем в состав одной линии.

Большие перспективы дальнейшего повышения производительности труда и эффективности в машиностроительном производстве имеет создание гибких производственных систем (ГПС), управляемых от ЭВМ. ГПС представляет собой совокупность оборудования с ЧПУ, роботизированных технологических комплексов, гибких производственных модулей, отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования в автоматическом режиме в течение заданного интервала времени.

Любая ГПС обладает свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений ее характеристик.

Роботизированный технологический комплекс (РТК) состоит из единицы технологического оборудования, промышленного робота и средств накопления, ориентации и поштучной выдачи изделий.

Гибкий производственный модуль (ГПМ) – это единица технологического оборудования для производства изделий произвольной номенклатуры в установленных  пределах значений их характеристик, автономно функционирующая, и имеющая возможность встраивания в ГПС.

В гибкой автоматизированной линии (ГАЛ) технологическое оборудование расположено в принятой последовательности технологических операций.

Гибкий автоматизированный участок (ГАУ) функционирует по технологическому маршруту, в котором предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования.

В состав гибкого автоматизированного цеха (ГАЦ) входят в различных сочетаниях гибкие автоматизированные линии, роботизированные технологические комплексы, гибкие автоматизированные участки для производства изделий заданной номенклатуры.

---

Станки автоматы и полуавтоматы

Основные понятия об автоматизации металлорежущих станков

         Машиностроительное производство по своему характеру подразделяется на массовое, серийное и единичное с внутренним подразделением на мелкосерийное, среднесерийное и крупносерийное.

         При массовом производстве технологическое оборудование специализируется на выполнение одинаковых, повторяющихся операций технологического процесса.

         При серийном производстве технологическое оборудование специализируется на выполнение двух или нескольких закрепленных операций, чередующихся в определенной последовательности.

         При единичном производстве технологическое оборудование загружается различными работами и не имеет закрепленных операций или объектов производства.

         Важнейшим показателем, характеризующим тип производства, является номенклатура и количество выпускаемых изделий. При этом на одном и том же предприятии производство может иметь различный характер. Так при серийном характере производства основной продукции производство нормалей (болтов, винтов, гаек и т.д.) может носить массовый характер, а продукция инструментальных цехов - мелкосерийный или даже единичный.

         Характер производства предъявляет определенные требования к технологическому оборудованию. Если в условиях массового производства со стабильными характеристиками выпуска продукции главным требованием к рабочим машинам является высокая производительность, то для условий серийного и единичного производства первостепенное значение приобретает универсальность и мобильность средств производства при обеспечении соответствующего качества продукции.

         Под универсальностью понимается способность оборудования к переналадке на возможно широкий диапазон обрабатываемых изделий.

Мобильность определяется быстротой перехода с выпуска одних изделий на другие.

         Как правило, чем выше производительность оборудования и степень его автоматизации, тем ниже показатели универсальности и мобильности.

         Таким образом, массовое производство одних и тех же изделий в течение длительного периода времени требует создания дорогостоящих, предельно автоматизированных, высокопроизводительных машин, длительное время сохраняющих свои эксплуатационные качества. К таким машинам относятся прежде всего станки-автоматы и полуавтоматы, а в условиях серийного производства - станки с ЧПУ. Из таких станков компонуются в дальнейшем гибкие производственные модули и системы, автоматические линии.

         Обработка деталей на металлорежущих станках состоит из рабочих и вспомогательных операций. Во время рабочих операций осуществляется формирование требуемой поверхности, то есть производится процесс резания. К вспомогательным относят операции управления станком, установки, закрепления и снятия обрабатываемой детали, операции подвода и отвода инструментов, контроля размеров и т.д.

         Автоматами называют станки, в которых весь цикл изготовления детали, начиная от загрузки заготовок и кончая выгрузкой готовых изделий полностью автоматизирован, то есть процесс изготовления деталей происходит без участия оператора. Оператор осуществляет только лишь загрузку станка на партию обрабатываемых деталей и первоначальный пуск.

         Полуавтоматами называют станки, в которых весь цикл обработки деталей автоматизирован, а операции загрузки станка штучными заготовками, выгрузки готовых изделий, а также операции управления станком, т.е. его включение и выключение производятся оператором вручную при каждом цикле.

         К станкам с ЧПУ обычно относят универсальные станки, в систему автоматического управления которых вводят числа или символы, отражающие величину и характер перемещений инструмента и детали относительно друг друга и работают по заданной программе. Как правило, такие станки характеризуются большой гибкостью, маневренностью и универсальностью в условиях современного динамического производства.

---

Классификация станков-автоматов и полуавтоматов

Автоматизированные станки в основном подразделяют по размерам, роду обрабатываемой заготовки, технологическим возможностям (выполняемым операциям), по точности обработки, принципу действия, по конструкции, числу различных органов (шпинделей) и по типам (см. рис. 1).

         Так все автоматизированные станки можно подразделить на вертикальные и горизонтальные, которые, в свою очередь делятся на автоматы и полуавтоматы, одношпиндельные и многошпиндельные и т.д.

         Вертикальные станки обычно являются более тяжелыми и мощными, чем горизонтальные и предназначаются для обработки деталей большого диаметра и относительно небольшой длины.

         Токарные автоматы и полуавтоматы предназначены для обработки деталей из прутка или штучных заготовок соответственно и позволяют выполнить следующие операции: точение продольное и поперечное, подрезание торцев, центрение отверстий, сверление, растачивание, зенкерование, нарезание наружных и внутренних резьб, накатывание рифлений, фасонную обработку, отрезку деталей, а при оснащении станков спец. приспособлениями - фрезерование шлиц, лысок и другие операции.

Рис.1
Системы управления автоматическими станками

         Системы автоматического управления обеспечивают работу станка по заранее заданной программе. Главное отличие автомата от обычного универсального станка состоит в том, что он по точной, заранее составленной программе выполняет определенный повторяющийся цикл работы.

         Выбор системы управления во многом зависит от специфики технологического процесса, от конкретных производственных условий, в которых будет эксплуатироваться станок и от требований экономики.

         Кроме того, система управления накладывает свои особенности на кинематику и конструкцию станков, систему транспортных и вспомогательных устройств,

так как они неотделимы от системы управления.

         Однако любая система управления, независимо от ее технологического назначения, должна отвечать следующему ряду основных требований:

1.  высокоточное исполнение команд на перемещение;

2.  синхронизация перемещений в различных циклах;

3.  высокая надежность работы;

4.  мобильность при смене объекта производства;

5.  простота конструкции и низкая стоимость;

6.  оптимальное регулирование процесса обработки;

7.  короткий цикл подготовки программы работы;

8.  выполнение большого количества команд (переключение подач и частот вращения шпинделя, поворот резцовой головки, включение и выключение САЖ, смена инструмента и т.д.);

9.  управление продолжительными циклами обработки без смены программоносителя.

         Системы управления автоматов и полуавтоматов можно различать по следующим признакам: по принципу синхронизации, степени централизации управления, по методу воздействия, числу управляемых координат, виду программоносителя, по наличию или отсутствию обратной связи и т.д.

         Централизованные системы управления характеризуются тем, что управление всем технологическим циклом осуществляется с центрального командного устройства (командоаппарата, пульта, распределительного вала, лентопротяжного устройства) независимо от действия и положения ИО. У таких систем управления (СУ) продолжительность рабочего цикла для каждого ИО является, как правило, величиной постоянной. Благодаря простоте схемы управления, надежности в работе удобству обслуживания и наладки централизованные СУ получили наибольшее применение в автоматах и полуавтоматах. К числу недостатков подобных систем можно отнести необходимость иметь дополнительные предохранительные устройства, так как команды с центрального пульта подаются вне зависимости от действия и положения исполнительных и рабочих органов.

         Децентрализованные СУ, называемые иногда путевыми, осуществляют управление при помощи датчиков (чаще всего путевых переключателей и конечных выключателей), включаемых движущимися ИО. Эти системы основаны на управлении упорами. Все ИО связанны между собой так, что каждое последующее движение одного может происходить только лишь после окончания движения предыдущего ИО. Преимуществом этой системы управления является отсутствие блокировки, так как команды подаются только лишь после окончания предыдущей операции. Однако датчики расположены в рабочей зоне станков и нередко выходят из строя из-за попадания стружки, пыли, масла и выдают неправильные команды вследствие закорачивания электрических цепей. Кроме того, такие датчики являются еще недостаточно надежными в работе.

         Смешанные СУ являются комбинацией первых двух систем. Здесь управление некоторыми элементами цикла осуществляется как в децентрализованной системе, а другими (остальными) от центрального командного, командного устройства. Например, управление всем циклом обработки детали осуществляется централизованно, а контроль выполнения очередных команд - при помощи путевых датчиков.

         Наиболее важным и характерным признаком любой системы ПУ является способ задания программы обработки, выбор которого во многом зависит от назначения СУ, от структурной особенности и экономической целесообразности. Любая СУ выполняет строго определенный, заранее намеченный комплекс операций по обработке детали, составленный в виде программы работы автомата. Поэтому СПУ имеет программоноситель, который в той или иной отражает величину, траекторию, скорость и направление перемещения детали и инструмента.

         По способу задания программы и виду программирования имеются:

1.  системы управления упорами;

2.  системы управления копирами;

3.  системы управления распределительным валом;

4.  СЦПУ (упоры, коммутаторы, штекерное табло);

5.  системы ЧПУ (перфокарты, перфоленты, магнитные ленты и т.д.).

         Наиболее высокой надежностью обладает СУ распределительным валом. Она представляет собой характерный пример централизованной разомкнутой СУ без обратной связи, обеспечивающей надежную и точную синхронизацию рабочего цикла любой сложности. Эта СУ получила широкое распространение в автоматах самого широкого распространения.

         СУ упорами нашли широкое распространение в  современных агрегатных станках и автоматических линиях.

         СУ копирами, обладая целым рядом преимуществ (возможность обработки деталей со сложными поверхностями, универсальность и мобильность при наладке, широкая возможность автоматизации станков и т.д.) имеют и недостаток - невозможность работы несколькими инструментами, автоматизация только рабочих ходов и сравнительно высокая трудоемкость изготовления копиров.

         Цикловые СПУ в отличие от СЧПУ более просты по структуре построения, конструкции и схеме их узлов. Они имеют меньшую стоимость, меньшую сложность освоения, достаточно высокую надежность работы, простоту устранения возникающих неисправностей, но и менее широкие возможности, чем СЧПУ.

         Системы ЧПУ более сложны, чем ЦСПУ, более универсальны, обладают высокой гибкостью и переналаживаемостью оборудования на обработку новой детали, но и менее надежны. Несмотря на высокую пока еще их стоимость и сложность в обслуживании они находят все большее и большее применение, особенно при обработке сложных корпусных и дорогостоящих деталей.

         Выбор той или иной СУ оказывает существенное влияние на все технико - экономические показатели автоматов и полуавтоматов: их производительность, надежность в работе и экономическую эффективность.

         Производительность рабочих машин - это величина, обратная длительности рабочего цикла и суммарных внецикловых потерь. Учитывая только собственные внецикловые потери, получим;

.                                       (1)

Здесь:                  t_p            - время рабочих ходов цикла;

                            t_x            - время холостых ходов;

                            åC_i      - потери по инструменту;

                            t_e            - потери по оборудованию;

                            t_пер        - потери по переналадке;

                            Q_пер   - время затрачиваемое на переналадку станка при переходе   на обработку другой детали;

                            а        - размер партии обрабатываемых деталей. (1 < a < ¥).

         Применение различных СУ в значительной степени зависит от потерь на холостые хода рабочего цикла t_x и длительность переналадки станка Q_пер.

         По принципу осуществления холостых ходов все автоматы и полуавтоматы можно разделить на три группы.

         В автоматах первой группы величина потерь холостых ходов пропорциональна изменению величины рабочих ходов. По этому принципу построены СУ почти всех  неметаллорежущих станков с распределительным валом  (РВ) - пищевых, текстильных, электровакуумных и др., а также металлорежущих для несложных работ. К этой же группе относятся станки с ПУ с управлением от магнитной ленты при постоянной скорости ее протягивания. При этом цикловая производительность Q_ц пропорциональна технологической К, т.е.

, где                                                   (2)

h₁          - коэффициент производительности. h₁=const.

.

b₁ – угол хх. (без учета совмещений **)

.

         В автоматах второй группы СУ построена таким образом, что изменение величины рабочих ходов и технологической производительности не влияет на длительность холостых ходов, которые остаются постоянными. К  автоматам этой группы относятся, например,  гидрокопировальные станки, где длительность зажима деталей, быстрого подвода и отвода суппортов и других холостых ходов не зависит от изменения режимов и длительности обработки. К этой группе относятся и токарные многошпиндельные автоматы, автоматические линии из агрегатных станков с системой управления упорами и др. Их общим признаком является условие:  

t_xх = const.

         Цикловая производительность автоматов второй группы выражается формулой        

=К×h_II.                                               (3)

         Автоматы третьей группы (промежуточной) сочетают характерные признаки автоматов  первой и второй групп. Их СУ строятся таким образом, что при изменении длительности рабочих ходов одна часть холостых ходов меняется  пропорционально, а остальная -  остается неизменной. Следовательно, для автоматов данной группы характерны оба признака:   h₁=const; t_xII = const.   

         По этому принципу построены, например, многие автоматы в электровакуумном машиностроении, которые кроме основного распределительного вала, вращающегося с постоянной скоростью, имеют и периодически включающийся быстровращающийся вал, от кулачка которого происходит поворот карусели.

         В автоматах третьей группы длительность рабочего  цикла

T=t_P+t_xI+t_xII,                                                                 (4)

где     — холостые ходы, совершаемые по группе 1 (зависящие от изменения t_p).

         — холостые ходы, совершаемые по группе 2 (независимые от изменения t_p).

.                                    (5)

Здесь:                  h₁ - коэффициент производительности без учета холостых ходов                                  группы 2;

—коэффициент производительности без учета холостых ходов группы 1;

         Это дает возможность сравнивать величину цикловой производительности при различных вариантах построения систем  управления и выбирать для каждого конкретного случая самые оптимальные варианты (рис.     ). Из графика видно, что кривая производительности автоматов третьей группы занимает промежуточное значение между кривыми автоматов первой и второй групп, так как в диапазоне изменения технологической производительности от К₁ до К₂  она обеспечивает большую производительность, чем автоматы первой и второй групп. Вне этих пределов автоматы промежуточной группы менее производительны, чем автоматы группы 2 (К₃<К₂) и группы 1 (К₃<К₁).  Из этого же графика виден диапазон использования автоматов первой и второй групп.

         На основе анализа конструкций и динамического исследования большего числа целевых механизмов металлорежущих автоматов и полуавтоматов можно сделать следующие выводы:

1. если К>10 шт./мин., автоматы должны строится по схеме группы 1.

2. если К<1 шт./мин., автоматы должны строится по схеме группы 2.

3. если К=0.5 ... 10 шт./мин., автоматы должны строится по схеме группы 3.

         Иными словами, для мелких и легких работ следует создавать автоматы первой группы; для мелких и средних работ, требующих сложной последовательной обработки, - автоматы III группы; для средних и тяжелых работ - автоматы и

полуавтоматы II структурной группы.

         Вторым параметром, определяющим выбор той или иной СУ при создании автомата, является длительность переналадки на обработку других деталей. При массовом и крупносерийном производстве (N®¥) потери на переналадку равны или близки к нулю (t_пер®0), поэтому выбор системы управления определяется максимальной величиной цикловой производительности. Однако в условиях серийного и мелкосерийного производства важнейшим определяющим фактором становится мобильность СУ, быстрота их переналадки. При плохой мобильности фактическая производительность автоматов в условиях серийного производства оказывается во много раз ниже производительности их в массовом производстве.

Именно малая длительность переналадки обусловила широкое применение СПУ как наиболее мобильных, в то время, как для массового стабильного производства основой автоматизации по прежнему остаются СУ с распределительным валом и кулачками. N -  размер партии обрабатываемых деталей между переналадками.

---

Системы управления с распределительным валом.

Если представить обычный копир обернутым на цилиндр, а все цилиндры с копирами - посаженными на один общий вал, то при вращении вала получим надежную и максимальную синхронизацию всех движений цикла любой сложности.    Такая система управления (с распределительным валом) получила широкое распространение в автоматах самого широкого технологического назначения для крупносерийного и массового производства деталей.  Большое значение при конструировании машин-автоматов имеет длительность холостых ходов, осуществляемых самой машиной. Чем быстрее совершаются холостые ходы, там выше коэффициент производительности и сама производительность. В зависимости от конструкции целевых механизмов, осуществляющих холостые ходы, автоматы и полуавтоматы можно разделить на 3 основные группы:

         Автоматы группы I  с одним распределительным валом предназначены для выполнения одним целевым механизмом (распределительным валом) как всех рабочих, так и холостых ходов цикла. За один оборот распределительного вала производится одна или несколько деталей. Распределительный вал (РВ) приводится в движение по одной кинематической цепи со звеном настройки i_s , а, следовательно, для данной наладки скорость его вращения постоянна. Причем кулачки для осуществления холостых ходов являются постоянными, требующими определенного угла поворота РВ, тогда как кулачки для производства рабочих ходов в зависимости от характера работы в каждом конкретном случае требуют различных углов поворота РВ.

         Для автоматов этой группы характерна большая потеря времени при вспомогательных движениях. Однако в автоматах малых размеров с небольшим количеством холостых движений и небольшим рабочим циклом (до 20с) применение такой схемы целесообразно вследствие ее простоты.

         Автоматы труппы II представляет собой основную часть автоматного парка металлорежущих станков. К этой группе относится часть одношпиндельных и почти все многошипндельные автоматы и полуавтоматы.

         Автоматы группы II также имеют один РВ с кулачками для осуществления рабочих и холостых ходов. Но в отличие от автоматов I группы в автоматах II группы РВ получает две скорости вращения: рабочую (медленную) и для осуществления холостых ходов (быструю).

         Привод рабочего движения имеет звено настройки i_s , обеспечивающее для каждого конкретного случая различную скорость вращения РВ. Для осуществления холостых ходов РВ получает вращение по другой кинематической цепи i_y без звена настройки с постоянной скоростью, определяемой прочностью звена механизма холостых ходов автомата.

         Следовательно, каково бы ни было время обработки детали, время на осуществление холостых ходов остается постоянным, а коэффициент производительности автоматов группы II является величиной переменной, зависящей от технологической производительности.

         Автоматы группы III (промежуточной) представляют собой сочетание автоматов групп I и II. Автоматы этих групп имеют два вала: Распределительный 1 и вспомогательный 2. Распределительный вал 1 вращается с одной скоростью, определяемой звеном настройки i_s как при осуществлении рабочих, так и холостых ходов. На нем установлены кулачки рабочих ходов и некоторой части холостых. Кроме того, этот вал несет на себе командные кулачки для переключения тех или иных механизмов, осуществляющих холостые движения с помощью специального вспомогательного вала 2, а также муфты включения и выключения механизмов холостых ходов.

         Вспомогательный вал вращается с большей скоростью, чем распределительный вал по отдельной кинематической цепи i_y, характерной для данной конструкции автомата.

         Автоматы III структурной группы характерны для токарно-револьверных автоматов и полуавтоматов.

         Основными характеристиками СУ с РВ является длительное время переналадки, что обусловило их применение прежде всего в автоматах и полуавтоматах для массового и крупномасштабного производства. Для уменьшения времени наладки автоматов в плоских кулачках небольших размеров делают пазы для замены их без демонтажа РВ. Другим средством повышения мобильности является бескулачковая наладка, то есть с ЧПУ.

---

Автоматы и полуавтоматы параллельного, последовательного и параллельно-последовательного действия.

         Простейшим структурным вариантом любой рабочей машины является однопозиционная машина, на которой осуществляется полностью или частично весь технологический процесс обработки, сборки или контроля изделий. Такие машины для выполнения заданного технологического процесса должны иметь минимально необходимый комплект механизмов рабочих и холостых ходов, привода, комплект инструмента и т. д. Так токарный одношпиндельный автомат должен иметь один шпиндель, один механизм зажима и подачи прутка, поперечные суппорты и т. д. (токарно-револьверные автоматы, автоматы фасонно-продольного точения). Отличительной чертой таких автоматов является последовательное использование всех инструментов технологического комплекта (возможно  совмещение некоторых операций).

         Если технологический процесс дифференцирован, то есть каждая машина выполняет одну составную операцию, то она должна иметь полный комплект механизмов и устройств и инструментов из технологического комплекта.

         В многопозиционных машинах, выполняющих весь дифференцированный и концентрированный технологический процесс, количество механизмов неизбежно увеличивается по сравнению с однопозиционной машиной. Так, многошпиндельные токарные автоматы и полуавтоматы, обрабатывающие те же детали, что и на т/р. автомате, должны иметь столько механизмов зажима и подачи прутка, сколько шпинделей имеет станок и идентичный технологический комплект инструмента.

         Таким образом, если в однопозиционных машинах общее время рабочего цикла определяется суммарной длительностью всех не совмещенных операций, то в многопозиционных интервал выпуска изделий равен длительности одной составной операции плюс время холостых ходов на загрузку и зажим деталей, подвод и отвод инструмента и т.д., что приводит к повышению производительности.

Дальнейший рост требований к производительности приводит к тому, что одна технологическая цепочка машин с дифференцированным технологическим процессом уже не в состоянии обеспечивать производственную программу. Отсюда появление многопоточных технологических машин.

Исходя из изложенного различают машины последовательного, параллельного и последовательно-параллельного (смешанного) действия.

На машинах последовательного действия все операции выполняются последовательно на одном изделии по рабочим позициям в порядке, заданном технологическим маршрутом обработки детали. При этом весь технологический комплект инструмента рассредоточен по позициям обработки. Обработка на всех позициях происходит одновременно, после завершения которой производятся холостые ходы (перемещение деталей в следующую позицию, зажим и разжим заготовок, передача новой заготовки в I-ю позицию, подвод и отвод суппортов и т.д.). При этом каждая деталь последовательно проходит через все рабочие позиции, а длительность рабочего цикла машин (автоматов и полуавтоматов) равна интервалу выпуска одной детали.

По такому циклу работает большинство автоматов и полуавтоматов одношпиндельных и многошпиндельных, вертикальных и горизонтальных.

В машинах параллельного действия, как правило, в нескольких позициях одновременно выполняется одна и совмещенные с ней операции технологического процесса, а, следовательно, такие машины имеют один механизм рабочего хода (суппорт, инструментальный блок и др.). За каждый цикл работы таких автоматов со станка сходит одновременно столько деталей, сколько позиций имеется на станке. Длительность же рабочего цикла определяется временем срабатывания основных механизмов (суппортов, инструментальных блоков и др.).

Машины параллельно-последовательного или смешанного действия концентрируют как одноименные, так и разноименные операции. Такие машины применяются при сложных технологических процессах обработки и большой производственной программе.

Компоновка автоматов и полуавтоматов. В зависимости от технологических возможностей и назначения автоматы и полуавтоматы могут быть различного конструктивного исполнения.

Автоматы фасонно-продольного точения выполняются одношпиндельными для пруткового материала диаметром обычно до 12-16 мм и применяются для обработки детали большой длины и малых диаметров со сложным контуром с точностью по 5-8 квалитету, шероховатостью R_a=1,25 мкм. Они получили широкое распространение в часовой и приборостроительной промышленности, где используются для изготовления различные валы и оси. Повышенные требования к точности обработки и небольшая жесткость обрабатываемых деталей привели к необходимости применения люнетов, которые размещаются в кронштейне близко к месту обработки. В процессе обработки детали пруток, зажатый во вращающемся шпинделе, постепенно перемещается в осевом направлении на заданные величины, а инструменты поочередно подходят к прутку и производят обработку. Инструмент закрепляется в 4-5 поперечных суппорта. Помимо продольного и поперечного точения на таких автоматах можно осуществлять фасонную обработку, точение конусов, обработку отверстий, нарезание резьб и т.д.

Фасонно-отрезные автоматы, работающие из проволки, применяются для выполнения различных фасонно-отрезных работ из материала, диаметром до 8 мм. Чаще всего это обработка шпилек, винтов и других простейших по конструкции деталей. Обработанный материал при обработке деталей не вращается и остается зажатым между двумя зажимными механизмами, один из которых расположен спереди шпинделя, а другой позади него. Вращение получают суппортные головки. Кроме того, в процессе обработки инструменты получают поперечное перемещение. По окончании обработки детали и     ее отрезки инструменты возвращаются в исходное положение, зажимные механизмы освобождают пруток и происходит подача новой порции материала, после чего цикл повторяется. Другой характерной особенностью станков этой системы является наличие механизма правки, который осуществляют с помощью роликов, между которыми пропускается проволока.

Одношпиндельные фасонно-отрезные автоматы применяются для обработки коротких деталей из прутка (прутковые) и штучных заготовок (магазинные, бункерные)с точностью по 8..13 квалитету и шероховатостью R_a=2мкм. Наибольшее распространение получили прутковые автоматы для прутков диаметром от 3 до 25 мм. Пруток или штучная заготовка зажимаются во вращающемся шпинделе, а резцы получают поперечную подачу. По окончании обработки детали в зону обработки либо подается новая заготовка, либо выдвигается пруток до упора. При обработке деталей на таких автоматах, как правило, используются фасонные инструменты.

Одношпиндельные токарно-револьверные автоматы применяются для обработки деталей сложной формы из прутков диаметром до 70мм. с точностью по 8..13 квалитету и шероховатостью R_a=2мкм. Автоматы имеют револьверную головку и 2-4 поперечных суппорта. Пруток подается из шпинделя на определенную величину и зажимается, после чего производится последовательная обработка инструментами, закрепленными в револьверной головке и в суппортах. После отрезки готовой детали пруток снова подается до упора на определенную величину и цикл повторяется.

         Многошпиндельные автоматы последовательного действия проектируются, как правило, для обработки деталей из пруткового материала диаметром до 100мм, реже для обработки штучных заготовок с магазинным питанием и могут быть 4, 6, 8 и 12 шпиндельными. Автоматы имеют продольный суппорт и поперечные на каждую позицию, а также оснащаются разного рода приспособлениями, расширяющими технологические возможности автомата (резьбонарезное устройство, быстросверлильное, для фрезерования пазов, шлиц и др.). По окончании одного цикла шпиндельный блок поворачивается на одну или несколько позиций и цикл повторяется. За каждый цикл со станка сходит готовая деталь.

         Многошпиндельные автоматы непрерывного действия применяются в основном для обработки штучных заготовок с бункерным или магазинным питанием. В процессе непрерывного карусельного вращения шпиндельного блока вокруг неподвижной колонны осуществляется обработка деталей либо путем перемещения заготовок относительно неподвижных инструментов, либо перемещением инструментов относительно заготовок. Полный поворот стола вокруг колонны соответствует времени обработки заготовки и удаления готовых деталей со станка. Как правило, такие автоматы применяются для обработки сравнительно несложных деталей.

         Многошпиндельные фасонно-отрезные автоматы являются результатом развития одношпиндельных фасонно-отрезных автоматов и представляют собой, по существу, несколько соединенных в одном корпусе отдельных одношпиндельных автоматов, каждый из которых осуществляет полную обработку детали (автоматы параллельного действия). Они строятся обычно 2, 4, 6 и 8 шпиндельные.

         Патронные и центровые многорезцовые одношпиндельные полуавтоматы широко применяются в крупносерийном и массовом производстве тяжелых и сложных работ. Весь процесс обработки производится автоматически, за исключением установки и закрепления заготовок, т.к. конфигурация заготовок в большинстве случаев требует сложных механизмов для автоматического зажима заготовок.

         Такие полуавтоматы предназначены для выполнения различных операций, а поэтому кроме поперечных суппортов они снабжаются продольным суппортом. Детали большой длины можно обрабатывать в центрах одновременно несколькими продольными и поперечными суппортами, расположенными по ее длине на круглых скалках (направляющих). Применяя ряд специальных приспособлений, можно осуществлять обработку фасонных поверхностей.

         Патронные и центровые полуавтоматы чаще строятся с горизонтальной осью и реже имеют вертикальную компоновку.

         Револьверные полуавтоматы предназначены для сложных патронных и центровых работ, требующих большого количества последовательно работающих инструментов. Полуавтоматы этого типа получают все большее применение ввиду их мобильности и широких технологических возможностей в серийном и мелкосерийном производстве деталей длиной до 1750мм, а также деталей типа фланцев, дисков, шкивов, зубчатых колес и др. за один или несколько проходов. Станки могут оснащаться и устройствами для смены инструментов по программе, число которых может достигать 16.

         Многошпиндельные полуавтоматы последовательного действия. По принципу действия не отличаются от многошпиндельных автоматов и предназначены для обработки штучных заготовок из различных материалов (втулки, кольца, гильзы, зубчатые колеса и др.). Отличием многошпиндельных горизонтальных полуавтоматов от аналогичных автоматов является отсутствие блока направляющих труб для поддержания вращающихся прутков и наличие зажимных, обычно пневматических патронов. Процесс смены готовой детали на заготовку осуществляется на специально для этого отведенной позиции и производится во время обработки на других позициях. Шпиндель в позиции загрузки не вращается. После установки заготовки оператор включает шпиндель и тем самым снимает блокировку от поворота шпиндельного блока.

         Такие полуавтоматы получают широкое применение в крупносерийном и массовом производстве. На них можно выполнять самые разнообразные операции. При оснащении их специальными загрузочными устройствами они могут работать полностью по автоматическому циклу. По специальному заказу они могут выполняться с двойной индексацией шпиндельного блока, то есть могут работать как сдвоенные полуавтоматы с загрузкой в двух позициях, что позволяет обрабатывать одновременно две несложные детали. Производительность при этом значительно возрастает.

         Вертикальные многошпиндельные полуавтоматы предназначены для обработки, в основном, крупногабаритных деталей большого диаметра и небольшой длины. Шпиндель в загрузочной позиции не вращается. В остальных позициях шпиндель вращается с частотой, необходимой по характеру обработки в данной позиции. Шпиндельный блок по окончании обработки во всех позициях по команде оператора поворачивается на одно деление вокруг неподвижной колонны, на гранях которой установлены суппорты. Все суппорты имеют независимый привод. Они могут осуществлять продольную и поперечную обработку, точение конусов и фасонных поверхностей.

         Существуют полуавтоматы непрерывного действия с фасонно-продольной обработкой, многошпиндельные полуавтоматы непрерывного действия с невращающейся заготовкой, многошпиндельные полуавтоматы последовательного действия для обработки деталей неправильной формы (рычаги, автотракторные детали и т. д.) в основном для осевой обработки.

---

Ретроспектива развития ЧПУ

Дальнейшее усовершенствование и развитие любой отрасли машиностроения немыслимо без широкой и комплексной автоматизации производственных процессов.

Известно, что на обработку резанием при изготовлении детали в настоящее время приходится 40-45% от общей трудоемкости, обработку давлением - 7-8%, сварочные процессы - 5-6% и т.д. на заготовительные операции, транспортирование, складирование деталей. Такое разделение сохранится как минимум до 2000 года, т.к. основная масса деталей изготовляются, и будут изготовляться из сталей и чугунов и только незначительная их часть из различных полимерных материалов. Кроме того, на обработку металлов резанием затрачивается значительно меньше энергии, чем на другие технологические процессы при лучшем качестве обрабатываемых поверхностей. Так при эл. физических методах обработки энергии требуется в 10 раз больше, чем при обработке резанием, а при обработке лучом лазера - в сто тысяч раз. Поэтому металлорежущие станки были, есть и будут основным технологическим оборудованием, но с ним произойдут радикальные изменения, что повлечет радикальные изменения и во всем машиностроении. Типаж металлорежущих станков весьма велик и разнообразен (9 групп,9 подгрупп, плюс целая масса станков специальных и специализированных). Большая часть этих станков приходится на долю единичного, мелкосерийного и серийного производства (около 75%). А это значит, что на каждом таком станке должен быть оператор. Возникает 1-я ПРОБЛЕММА - нехватка станочников. Так, в настоящее время, на 3 млн. станков приходится 2 млн. станочников. Кроме того, тяжело повышать производительность. При замене морально устаревшей модели станка новой, производительность может быть повышена, но в общем балансе времени она незначительна. В результате затраты времени на обработку с использованием станков общего назначения и специализированных в условиях мелкосерийного и серийного производства значительно превышают их для крупносерийного и массового производства. Применение же станков специальных, станков-автоматов и автоматических линий в условиях мелкосерийного и серийного производства крайне нежелательно. Это 2-я ПРОБЛЕММА.

Далее, доля затрат на складирование и транспортирование в условиях мелкосерийного и серийного производства значительно перекрывает по площадям долю затрат на заготовительные операции и размерную обработку деталей.

1.Затраты на заготовительные операции.

2.Затраты на размерную обработку на станках.

3.Затраты на транспортирование деталей.

4.Затраты на  складирование деталей.

5.Затраты на различные финишные операции (отделочные работы, смазка, упаковка и т.д.).

Ликвидация затрат на транспортирование и складирование деталей является очередной ПРОБЛЕММОЙ в машиностроении. Необходимо решать вопросы, чтобы деталь со станка сходила в уже готовом виде и по каналам связи (транспортеры, конвейеры) передавалась на сборочные посты, минуя складские помещения.

С развитием автотракторостроения, авиастроения, ракетной техники, новейшей научно-исследовательской аппаратуры к металлообрабатывающему оборудованию предъявляется все больше и больше требований. Для новых отраслей характерно усложнение объектов производства. Так, в самом сложном современном автомобиле насчитывается более 4 тыс. наименований деталей, а самолет типа АН-22 - один из крупнейших в мире транспортных кораблей, содержит уже около 400 тыс. наименований деталей, нормалей и узлов. Пассажирский самолет средних размеров включает примерно 60 тыс. деталей. В конструкциях растет число совершенно оригинальных, не встречающихся ранее узлов и деталей. Решить задачу выпуска таких новых объектов в кратчайшие сроки, даже с использованием станков-автоматов и полуавтоматов практически невозможно. Для этого необходимо спроектировать и изготовить около 2000 копиров, 3-5 тыс. различных штампов, около 1000 кулачков, 15-20 тыс. шаблонов для измерения заготовок, деталей и узлов. Изготовление такого количества оснастки требует колоссальных затрат труда рабочих, что ведет к низким темпам изготовления машин, которые зачастую устаревают еще до того, как выйдут на испытания.

Можно констатировать, что в станках-автоматах и полуавтоматах высокая производительность достигнута за счет узкой специализации, приведшей к потере маневренности, гибкости и плохой адаптации станка к меняющимся объектам производства. Автоматизация движений в таких станках, их последовательность и продолжительность осуществляется применением различного рода кулачков, копиров, упоров и других кинематических элементов, которые в процессе работы быстро изнашивались, в результате чего точность обработки на таких станках снижалась и не превышала обычно третьего класса. Переналадка таких станков на обработку другой детали приводила к необходимости длительной регулировки многочисленных упоров и изготовлению новых кулачков высококвалифицированными лекальщиками.

Именно поэтому станки-автоматы и полуавтоматы эффективны лишь в условиях крупносерийного и массового производства с устойчивой номенклатурой изделий.

Однако такой тип производства дает в настоящее время менее 30% всей продукции машиностроения и приборостроения, а свыше 70% - производится в отраслях единичного, мелкосерийного и серийного производства с быстрой сменяемостью номенклатуры. Доля этих типов производства под влиянием воздействия НТР будет еще выше.

Таким образом, быстрые темпы обновления продукции машиностроения и приборостроения поставили на повестку дня ЗАДАЧУ создания универсального станка-автомата, обладающего и высокой производительностью, и достаточной гибкостью, и маневренностью в условиях современного динамического производства.

Для решения этих проблем призваны станки с ЧПУ, создание которых стало возможным благодаря бурному развитию электроники и вычислительной техники. Первое устройство ЧПУ было изобретено в 1949 году советскими специалистами А.Е.Кобринским, М.Г. Брейдо и В.К.Бесстрашновым. В 1955 г. был изготовлен макетный образец станка с ЧПУ, а в 1957 г. советский станок с ЧПУ демонстрировался на Всемирной выставке в Брюсселе, где он завоевал первую премию "Гран-при". В этом станке дозировка размерных перемещений осуществлялась с помощью механического шагового привода с анкерным механизмом.

С 1959 г. начинается все расширяющийся промышленный выпуск станков с ЧПУ. С этого времени начался 1-й ЭТАП в развитии станков с ЧПУ.

Для устройств ЧПУ первого поколения характерно применение полупроводниковых приборов и электронных машин. Широкое применение в этот период получил фрезерный станок модели 6Н13ГЭ-2 с шаговым эл.гидравлическим приводом. Программа записывалась в унитарном коде на магнитную ленту, что позволило значительно упростить электронную часть устройства и повысить ее надежность.

Простота устройств ЧПУ позволила быстро освоить их выпуск и эксплуатацию. Станки с этими устройствами ЧПУ оправдали себя, несмотря на ограниченные технологические возможности (отсутствие коррекции и др.) и трудоемкость подготовки программы на магнитной ленте.

Вскоре выяснилось, что ручной расчет и изготовление программ, особенно для обработки детали со сложными криволинейными поверхностями, крайне трудоемкая работа. При расчете требуется оперировать без округления многозначными цифрами, что приводит к появлению многочисленных ошибок и проведению многократных перепроверок и перерасчетов. Потребовалась организация больших служб инженеров и технологов программистов для выполнения таких расчетов.

В начале освоения станков с ЧПУ считалось, что основной областью применения ЧПУ станками станет единичное производство. Однако уже первые результаты промышленной эксплуатации показали, что трудности подготовки программы обусловили наиболее эффективное применение ЧПУ в мелкосерийном и серийном производстве, где партии деталей достаточно велики. В опытном производстве станки с ЧПУ нашли применение главным образом при обработке крупногабаритных деталей со сложной конфигурацией.

В России первый этап на большинстве предприятий завершился в 1960 - 62 гг. Опыт эксплуатации станков на этом этапе выявил следующие преимущества ЧПУ станками:

1. Снижение квалификации станочников;

2. Сокращение и упрощение технологической оснастки;

3. Повышение производительности за счет снижения машинного и вспомогательного времени.

ВТОРОЙ ЭТАП характеризуется резким увеличением внедрения станков с ЧПУ различных групп в различные отрасли промышленности. Совершенствуются конструкции и технические показатели отдельных узлов станков и систем ЧПУ. В станках применяют быстродействующий привод подач, высокоточные датчики, поворотные резцедержатели, револьверные головки и т.д.

Все больше находит применение контрольные автоматы с ЧПУ, промышленные роботы на сборочных и упаковочных операциях, основанные на принципах ЧПУ. Широкие возможности для внедрения роботов открываются в литейных, термических, гальванических цехах и кузнечно-штамповочном производстве.

Особую группу составляют станки с ЧПУ, получившие название "обрабатывающий центр" (много инструментальный, многооперационный). Эти станки могут выполнять полную обработку всех сторон детали, закрепленной на столе станка, за одну установку, производя разнородные операции: точение, сверление, фрезерование, нарезание резьбы и др. Такие станки имеют инструментальные магазины, в которых может устанавливаться до 138 различных инструментов и "автоматические руки" для смены инструмента в шпинделе станка. Кроме этого с помощью ЧПУ на этих станках осуществляются автоматические перемещения заготовки вдоль трех координатных осей и ее вращение вокруг вертикальной оси поворотного стола, а иногда и вокруг горизонтальной оси, что дает возможность осуществлять обработку сложных корпусных деталей при одном их закреплении. ПУ станка обеспечивает необходимое изменение скорости вращения шпинделя, величины рабочей подачи и скоростей холостых перемещений, а также включение и выключение других устройств станка.

Режущий инструмент помещается в револьверных головках или специальных инструментальных магазинах большой емкости, что делает возможным в соответствии с принятой программой автоматически устанавливать в шпинделе станка практически любой инструмент, необходимый для обработки соответствующей поверхности детали. Смена инструмента производится в течение 3-5 сек.

ЧПУ всеми движениями станка и поворотным столом, а также автоматическая смена большого числа режущих инструментов обеспечивает в некоторых моделях многооперационных станков получение до 500000 различных положений инструмента относительно обрабатываемой детали.

В отличие от обычных многошпиндельных станков – автоматов и автоматических линий, применяемых в массовом производстве повышение производительности на многооперационных станках достигается не за счет совмещения технологических переходов и параллельной много инструментальной обработки многих поверхностей, а вследствие резкого сокращения затрат вспомогательного и подготовительно-заключительного времени и интенсификации режимов резания. Так в условиях серийного и мелкосерийного производства доля машинного времени на прецизионных станках не превышает 18-20%, на станках с ЧПУ она увеличивается до 50-60%, а на многооперационных она достигает 80- 90%. Простой станка под наладкой сокращается в среднем на 80%. В результате этого производительность изготовления деталей на таких станках в 4-10 раз превышает производительность обработки на универсальных станках.

Важнейшим преимуществом многооперационных станков перед другими автоматизированными станками является простота их наладки и переналадки и отсутствие необходимости создания сложной технологической оснастки (шаблонов, копиров, приспособлений и т.д.). Это создает большую гибкость и мобильность производства, позволяющие применить многооперационные станки в условиях мелкосерийного и опытного производства. И, несмотря на высокую стоимость этих станков при правильной их эксплуатации с полной загрузкой в 2-3 смены окупаются в течение 1-2 лет.

Второй этап характеризуется и созданием систем автоматического расчета управляющих программ на ЭВМ. Разработка методов автоматического программирования и математического обеспечения оказал решающее значение на темпы развития ЧПУ станками в целом. Для ускорения решения вопросов программирования были созданы специальные системы автоматического программирования и машинного языка, рассчитанные на определенный тип станков и осуществляющие  связь оператора с машиной (САП-2, САП-3, САПС-М32 и др.). В РОССИИ значительную роль в ускорении систем автоматического программирования и улучшении вопросов подготовки программ сыграли заводские бюро и созданные в 1973 г. кустовые территориальные центры по программированию. В последнее время начали внедряться способы задания информации голосом.

Использование принципов ЧПУ с широким привлечением ЭВМ позволяет автоматизировать инженерный труд. Созданы координатографы, графопостроители, которые работают в 25-30 раз быстрее человека и могут по сигналам управления выполнить многие сечения деталей, перевести цифровую модель детали в графическую форму, изменить масштаб построения, выполнить аксонометрическую проекцию изделия и т.д.

Появились и устройства, выполняющие противоположные функции - программаторы. Программаторы на основании чертежа или модели изделия создают его цифровую модель, а затем - управляющую программу для станка с ЧПУ.

С развитием электроники и вычислительной техники построен, изготовлен и находится в эксплуатации дисплей. Это устройство позволяет осуществлять визуальный диалог человека и машины в графических образах. Дисплей представляет весьма существенные возможности для автоматизации конструирования, выполнении конструкторских работ человеком в апре с ЭВМ и используется для ускорения отладки и внедрения УП станкам с ЧПУ непосредственно в цехе, возле станка. Оператор, с помощью специального светового луча может непосредственно у станка вносить изменения в чертеж детали на экране дисплея, которые сразу запоминаются машиной.

На основании устройств автоматизирующих конструкторскую и технологическую подготовку производство изделий, а также их непосредственного изготовления, контроль и сборку технические прогнозы обещают создание в 2000 году комплексов СЧД (система чертеж-деталь), в которой на протяжении всего цикла производства - от возникновения замысла до изготовления детали - рука и мозг человека не будут участвовать в производственных процессах.

Широкое использование ЭВМ при подготовке УП для станков с ЧПУ показало, что такие станки могут эффективно использоваться не только в мелкосерийном и единичном производстве, но и успешно решать задачи серийного и крупносерийного производства.

Однако даже такие станки, как обрабатывающие центры не всегда обеспечивают полную обработку детали, т.к. многие из них требуют дополнительных операций - термообработка, шлифование, доводка и т.д. Кроме того, на каждом станке с ЧПУ должен быть оператор и только иногда допускается многостаночное обслуживание. Эти обстоятельства привели к 3-му ЭТАПУ в развитии станков с ЧПУ.

Стремление распространить автоматизацию, достигаемую на автоматических линиях, на мелкие и средние партии обрабатываемых деталей привело к объединению нескольких обрабатывающих центров и станков с ЧПУ в участок (автоматическую станочную систему АС) с единым транспортным устройством и универсальным управлением. Создание автоматизированных участков и цехов, управляемых от одной линии ЭВМ, сопровождается разработкой станков с новыми конструктивными компоновками, учитывающими возможность работы в составе автоматизированного участка, промышленных роботов для загрузочно-разгрузочных операций, контрольных автоматов с ЧПУ, а также адаптивные системы к станкам.

Таким образом, получаются системы, обеспечивающие быструю переналадку на другое изделие и обладающие высокой гибкостью в противоположность жестким автоматическим линиям.

Первый гибкий комплекс "Rota-F-125М" (ГДР) в мировой практике демонстрировался в 1971 г. на Лейпцигской выставке. В комплекс входит семь станков с ЧПУ: 1-токарный, 3-токарноревольверных, 2-вертикальнофрезерных, 1-круглошлифовальный.

В РОССИИ в настоящее время эксплуатируется более 100 автоматических станочных систем типа АСК - для обработки корпусных деталей и АСВ - для обработки деталей типа тел вращения.

3-й ЭТАП в развитии станков с ЧПУ характеризуется и разработкой и оснащением станков с ЧПУ адаптивными системами и системами диагностики, позволяющими в любой момент времени быстро определить ту или иную неисправность станка, или определить приближение того или иного узла к критическому состоянию.

Понятие о ЧПУ станками

Почти всякий автоматизированный станок можно рассматривать как станок с ПУ. Программоноситель в таких станках: кулачок, копир, шаблон, расположенные в определенных местах упоры и конечные выключатели являются программой формообразования детали. Он кинематически связан определенным образом с исполнительными узлами либо непосредственно (автоматы с РВ), либо через систему усиления и управления. При таком управлении для изменения величины перемещения исполнительного узла требуется смена параметров кинематической цепи (замена кулачков и копиров, переустановка упоров и т. д.).

В станках с ЧПУ программа формообразования и осуществления вспомогательных движений рабочих органов не связана со структурой и конструкцией станка. Эти станки характеризуются управлением, обеспечивающим быструю их переналадку без смены и перестановки механических элементов, т.е. бескопирным дистанционным управлением. Величины перемещения исполнительных узлов, определяющие форму и размеры детали задаются числами или какими-либо другими символами, отражающими форму траектории, величину, направление и скорость этого перемещения.

Программа для станков с ЧПУ обычно составляется заранее. Суть ее обычно состоит в следующем. По заданному технологическому процессу изготовления детали и ее чертежу разрабатывают программу перемещений режущего инструмента относительно заготовки, а также направления и величины подач этих перемещений. Эту программу кодируют, т.е. либо заменяют принятой условно системой чисел или знаков, которые затем фиксируют посредством пробивки отверстий на программоносителе- перфокарте или перфоленте, либо запоминаются каким-либо иным способом (магнитная запись на ленте, запись на киноленте и т.д.). В таком виде программа вводится в "считывающее" устройство станка, в котором "прочитанные" данные преобразуются в соответствующие командные импульсы, а последние с помощью управляющих механизмов подают сигналы на приводы исполнительных органов.

Таким образом, станками с ЧПУ называются станки, в систему автоматического управления которых вводятся числа или символы, отражающие величины перемещений исполнительных органов, участвующих в формообразовании изготовляемой детали или позиционировании заготовки и инструмента.

---

Классификация ЧПУ станками

В СЧПУ программа работы станка задается в виде определенного комплекса чисел или знаков, записанных на программоносителе (перфоленте, магнитной ленте, перфокарте, ОЗУ и т.д.). Системами с программированием цикла и режимов работы оснащаются станки автоматы и полуавтоматы, а также станки с автоматической сменой режимов работы.

2. По принципу управления движениями: позиционные и контурные. Позиционные системы управления, в свою, очередь делятся на:

а) системы с установкой координат без определенного линейного перемещения между отдельными точками обработки с заданной точностью. При этом все исполнительные узлы могут перемещаться в любом направлении одновременно, но не взаимосвязано. Траектория движения инструмента при этом существенного значения не имеет и определяется в основном конструкцией станка и его кинематической схемой. Например, в станках сверлильно-расточной группы необходимо вначале установить ось сверла над центром будущего отверстия, что может осуществляться одновременным, но несогласованным движением сверла по осям X и Y, т.е. в плоскости, перпендикулярной оси сверла, а затем дать рабочее движение (т.е. подачу) по оси Z, вдоль оси сверла. Перемещения в таких системах задают в абсолютных координатах или приращениях, а работа систем основана на сравнении показаний абсолютных и неабсолютных датчиков перемещения с координатными данными, заданными программой.

б) системы с прямоугольным последовательным перемещением исполнительных органов от пункта к пункту в процессе формообразования детали. Такие системы можно назвать системами с программированием прямых, параллельных направлению движения исполнительных органов. Перемещения в позиционной системе с необходимой точностью, определяемой ее разрешающей способностью, как правило, задают в абсолютной системе координат, имеющей фиксированное начало отсчета, которое может изменяться по программе или вручную.

Рабочее движение в позиционных системах ПУ, т.е. движение подачи, всегда осуществляется по одной координате. Системами с программированием прямых могут считаться токарные, карусельные и фрезерные станки.

Системы контурного  (непрерывного) управления являются функциональными. В таких системах производится непрерывное, одновременное и согласованное движение исполнительных органов и заготовки, что обеспечивает обработку криволинейных контуров и поверхностей на станках токарной, фрезерной, строгальной и др. групп. Программа задается в относительных координатах или в приращениях, определение которых на криволинейных участках контура производится автоматически, с помощью специальных устройств - интерполяторов.

Само собой разумеется, что контурные СПУ в принципе можно применять вместо позиционных, т.к. они также обеспечивают приход инструмента в заданную точку с высокой точностью, хотя координаты у них обычно заданны в относительной системе. Однако из-за наличия интерполятора контурные СПУ всегда были намного сложнее и дороже позиционных и в связи с этим их применяли только в станках, предназначенных для обработки деталей с криволинейными образующими взамен копировальных станков, где эффект от применения СПУ был особенно велик.

Появление инструментальных магазинов в среднем на 30-40 инструментов, необходимость в связи с этим автоматически изменять частоту вращения шпинделя в широких пределах, иметь коррекцию размеров инструментов и индикацию положений рабочих органов станка, упрощения программирования за счет введения стандартных циклов, переход на следящий режим позиционирования для обеспечения высокой точности - все это привело к резкому усложнению позиционных СПУ. Добавление в такую СПУ интерполятора не на много увеличивает ее сложность и стоимость, но делает ее универсальной.

В связи с этим большинство современных СПУ выполняют как универсальные. И только простейшие СПУ до некоторой степени сохраняют это разделение.

Подразделение СПУ на позиционные, контурные, универсальные привело к некоторым изменениям в нумерации и обозначении станков с ЧПУ. Так, в обозначении станков с ЧПУ обозначают дополнительным индексом в конце: Ф1 - станки с цифровой индикацией и пред набором координат, Ф2 - с позиционными системами ПУ, Ф3 – с контурными системами ПУ , Ф4 - с универсальными системами для позиционной и контурной обработки, С1, С2, С3 - количество управляемых координат. Например, токарный станок с контурной СПУ и управлением по 2-м координатам обозначают 1А616Ф3С2.

В зависимости от наличия или отсутствия обратной связи СПУ подразделяются на замкнутые и разомкнутые системы управления. Система управления с разомкнутым контуром значительно проще и дешевле в изготовлении, но в ней отсутствует контроль исполнения команды, что снижает ее точностные показатели. В СПУ с замкнутым контуром датчик обратной связи следит за положением исполнительного органа и вносит необходимые коррективы в работу СПУ. Такие системы обладают большей точностью, но они сложнее, менее надежны и соответственно дороже СПУ с разомкнутым контуром.

По характеру информации, выраженной в программе различают системы непрерывные, дискретные и дискретно-непрерывные.

Программа в СПУ с фазовой модуляцией считывается с магнитной ленты в виде синусоидального напряжения, имеющего угол сдвига фазы относительно опорного напряжения, пропорциональный заданному перемещению, а воспроизведенное движение контролируется датчиками перемещения также в угол сдвига фаз синусоидальных напряжений. Фаза напряжений, характеризующее заданное и фактическое перемещения, сравниваются в так называемом фазовом индикаторе, который выдает сигнал следящему приводу в виде выпрямленного напряжения. Фазовая система ПУ по сравнению с другими СПУ имеет минимальный объем электронного оборудования и надежные в работе датчики положения.

Дискретная (импульсная) система - это такие СПУ, в которых информация о перемещении инструмента или изделия выражена соответствующим числом импульсов.

В разомкнутых импульсных системах в качестве исполнительных устройств применяют шаговые двигатели, поэтому их часто называют шагово импульсными. В таких системах каждый импульс преобразуется в поворот вала шагового двигателя на определенный строго фиксированный угол. Число импульсов определяет величину перемещения, а частота их следования - скорость движения рабочего органа станка.

Замкнутые импульсные системы называют счетно-импульсными, т.к. в них использована счетная схема. В счетно-импульсных суммирующих системах величина перемещения рабочего органа задается в виде суммы импульсов. Каждому импульсу соответствует перемещение, например, на 0,01 мм. Заданное число импульсов фиксируется и сравнивается с числом импульсов, поступающих по мере перемещения рабочего органа от датчика обратной связи. Когда число импульсов, поступивших от датчика обратной связи сравняется с заданным числом импульсов, подается команда для прекращения движения рабочих органов.

Однако импульсные СПУ имеют и недостатки:

 1. Возможность потери информации (пропадания импульсов программы), что приводит к изменению размеров детали.

 2. Задание размеров в приращениях приводит к накопленной ошибке.

 3. Введение в систему обратной связи с целью повышенной точности обработки усложняет конструкцию станка, снижает их надежность и долговечность.

Системы же с фазовой модуляцией в значительной мере свободны от этих недостатков благодаря непрерывному характеру управляющей информации, имеющей вид фазомодулированных синусоидальных сигналов переменного тока. Для получения информации в импульсных системах применяют преобразователь унитарного кода в фазовый, что обеспечивает простоту и надежность управления.

Шагово-импульсные системы применяют в станках с точностью обработки не выше +-0.1 мм и шероховатости поверхности 5-6 при максимальном времени обработки деталей в цикле не более 30-40 мин.

Счетно-импульсные системы с обратной связью находят применение в станках для обработки крупногабаритных деталей с циклом обработки до 2-3 часов, точностью до +- 0.1 мм и 5. Станки 6441Пр, ГФ-628, СФП-1, СФП-2 и др.

Дискретно-непрерывные системы подразделяются на аналого потенциометрические (АПСПУ) и импульсно-фазовые.

В АПСПУ происходит непрерывно воспроизведение и обработка текущих значений координатных точек траектории центра фрезы, вычисленных относительно начала координат, принятых для системы. АПСПУ является системой абсолютного отсчета со встроенным линейным интерполятором электромеханического типа. В системе предусмотрен датчик обратной связи потенциометрического типа. Программоносителем является обычно 80-колонковые перфокарты. В таких системах сравнивающие устройство сравнивает число импульсов, заданных программой с числом импульсов системы обратной связи (с числом фактически отработанных импульсов) и выдает аналоговый сигнал, пропорциональный отклонению скорости и величины перемещения рабочих органов станка от заданных программой. Этот сигнал образуется в результате отклонения от нулевого положения реверсивного счетчика, в котором выполняется одновременное сложение импульсов программы и вычитание импульсов обратной связи.

В импульсно-фазовых системах аналоговый сигнал управления образуется в результате сдвига по фазе последовательности импульсов обратной связи по отношению к последовательности импульсов программы.

АПСПУ обеспечивает выполнение следующих функций: работу станка в позиционном и контурном режиме, одновременную продольную и поперечную подачу при включенной вертикальной подаче, линейную интерполяцию контура детали, изменение положения начала координат в системе воспроизведения.

Таким образом АПСПУ характеризуется непрерывным управлением приводами продольной и поперечной подач и позиционным управлением приводом вертикальной подачи станка.

Системы ПУ, в которых помимо основного потока информации на перемещение какого-либо исполнительного узла по определенным направлениям с коррекцией или без коррекции этого перемещения, имеется ряд дополнительных воздействий в зависимости от факторов случайного характера (состояния режущей кромки инструмента, физические свойства обрабатываемого материала, тепловые колебания и другие силовые воздействия на систему СПИД), называются самонастраивающимися или адаптивными системами ПУ. Такие системы можно отнести к системам с программированием цикла и режима обработки.

Преимущества станков с ЧПУ

 1. Высокая производительность за счет сокращения вспомогательного, Тп.з. и То. времени.

 2. Исключение предварительных разметочных и пригоночных работ.

 3. Повышение точности и идентичности деталей и, как следствие сокращение брака и пригоночных работ в процессе сборки.

 4. Сокращение количества и упрощение конструкции технологической оснастки, что сокращает сроки технологической подготовки производства.

 5. Обеспечивается экономия площадей для хранения деталей в процессе производства, готовых изделий, приспособлений, инструментов.

 6. Значительное снижение квалификации оператора.

 7. В связи с резким сокращением брака при работе на станках с ЧПУ, автоматической сменой инструмента и его перемещением относительно заготовки по программе значительно уменьшается объем контрольных операций и сокращается штат контролеров.

Благодаря этим преимуществам применение станков с ЧПУ целесообразно в следующих случаях:

 1) сложные многочисленные и дорогостоящие операции по настройке и обработке;

 2) обработка малыми партиями, особенно для сложных деталей;

 3) деталь настолько сложная, что обработка ее в больших количествах приводит к появлению субъективных ошибок;

 4) обработка деталей с большим количеством размеров, имеющих жесткие допуски, и детали с индивидуальными отклонениями размеров в партии;

 5) обработка деталей подверженных конструктивным изменениям;

 6) когда требуется весьма точная и дорогая оснастка;

 7)сложность хранения инструментов;

 8) расходы на контроль составляют значительную часть общей мости детали.

---

Типовая СПУ и ее особенности

Блок схема типовой универсальной СПУ состоит из 2-х основных устройств: устройства ЧПУ, конструктивно оформляемого в виде отдельного шкафа или пульта, и исполнительных устройств с приводами и датчиками обратной связи, установленными на станке.

Основными блоками СПУ являются следующие:

 1. Устройство ввода информации предназначено для считывания с программоносителя закодированных данных в виде электрических, магнитных световых или других воздействий.

 2. Блок запоминания информации считанной с программоносителя предназначен для запоминания прочитанных данных одного кадра, а также их контроля и формирования соответствующего сигнала при обнаружении ошибки, т.е. остановки работы СПУ. В связи с тем, что время считывания информации с перфоленты в пределах одного кадра при обычной скорости считывания 200...300 строк в секунду составляет величину примерно 0,1...0,2 сек. и более (в зависимости от количества строк), то такой перерыв в подаче информации недопустим, особенно в контурных СПУ. Поэтому в таких системах применяют обычно два запоминающих блока: блок рабочей памяти БРП и блок буферной памяти ББП. Эти два блока абсолютно идентичны и работают параллельно. В это время пока отрабатывается информация одного кадра из БРП, информация последующего кадра вводится в ББП. Как только информация с БРП будет отработана СПУ практически мгновенно переключается на ББП, а информация с третьего кадра вводится в БРП и т.д.  Во многих системах СПУ этот блок имеет возможность принимать непосредственно информацию от ЭВМ, минуя считывающее устройство.

  3. Пульт управления и индикации служат для связи оператора с СПУ. С помощью этого пульта осуществляется пуск системы и ее остановка, переключение режимов работы (автоматический, ручной, наладочный), коррекция скорости подачи и перемещения инструмента. На этом пульте находится световая сигнализация, показывающая оператору состояние системы.

 4. Блок интерполяции формирует частичную траекторию движения инструмента между двумя или более заданными точками криволинейного контура или контура, непараллельного направлению перемещения режущего инструмента. Блок интерполяции представляет собой сложное электронное устройство, предназначенное для автоматического подсчета координат промежуточных точек с точностью до 5-6 десятичного разряда. Входная информация на блок интерполяции поступает с запоминающего блока, а выходная представляется уже в декодированном виде в импульсной форме, т.е. в виде последовательности импульсов по каждой координате, частота которых определяет скорость подачи, а общее их количество - величину пройденного пути по данной координате. Максимальная частота импульсов на выходе интерполятора является одной из основных его характеристик и в современных СПУ имеет величину 5-10 кГц.

При работе интерполятора обеспечивается с высокой точностью заданное мгновенное отношение частот импульсов по двум или более координатам, изменяемое по соответствующему закону, что необходимо для получения заданной траектории движения инструмента с погрешностью не более 2-3%, тогда как погрешность задания скорости подачи в 3-5% считается вполне допустимой.

 5. Блок управления приводом подач предназначен для преобразования информации поступающей с выхода интерполятора в соответствующие командные импульсы, управляющие приводами подач, заданное перемещение будет обеспечиваться в зависимости от цены импульса их количества. Цена импульса обычно имеет величину 0,01-0,02 мм. Если, например, необходимо переместить суппорт на 10 мм., а цена одного импульса равна 0,02 мм., то общее количество импульсов, которое должно быть подано на привод подачи будет равно 10:0,02 = 500.

В зависимости от типа приводов (замкнутые или разомкнутые, фазовые или амплитудные) блоки управления существенно различаются.

В различных приводах с шаговыми двигателями блок управления представляет собой специальный кольцевой коммутатор, выходные усилители которого читают обмотки ШД, что создает его вращение.

В замкнутых приводах фазового типа с датчиками обратной связи в виде вращающихся трансформаторов блоки управления представляют собой преобразователи импульсов в фазу переменного тока и фазовые дискриминаторы, сравнивающие выходную фазу с фазой датчика обратной связи.

В замкнутых приводах импульсного типа с датчиком обратной связи в виде датчика импульсов, блок управления представляет собой реверсивный счетчик, на один вход которого подаются импульсы от интерполяторов, а на другой - от датчика импульсов. На выходе счетчика включен дешифратор, преобразующий содержимое счетчика в сигнал постоянного тока, подаваемый на привод подачи.

 6. Приводы подач станка, чаще всего следящие, предназначены для перемещения исполнительных органов станка, т.е. столов, суппортов, кареток и т.д. с заданной точностью и необходимой скоростью. Следящий привод представляет собой систему, состоящую из двигателя (электрического или гидравлического), усилителя мощности, датчика обратной связи, регулируемой в широких пределах, и сравнивающего устройства. Датчик обратной связи вырабатывает сигнал о фактическом перемещении исполнительного органа, которое сравнивается в СПУ с заданным. Сравнивающее устройство выдает сигнал ошибки, который поступает на вход усилителя мощности, в результате чего скорость двигателя оказывается пропорциональной ошибке системы. Если в процессе работы обнаруживается ошибка, то СПУ автоматически выключается с помощью специального устройства защиты. В СПУ достаточно широко применяют и более простые разомкнутые приводы подач, без датчиков обратной связи, т.е. следящие. Для этого применяют шаговые двигатели с соответствующими усилителями момента.

 7. Датчики обратной связи определяют фактическое перемещение исполнительного органа, которое по каналам системы обратной связи поступает в БУ, где оно сравнивается с заданной величиной. До тех пор пока имеет место "рассогласование" между заданной и фактической величинами перемещения ИО система работает. По окончании заданного перемещения сигнал от датчика перемещений поступает в БУ, который вырабатывает сигнал на выключение движения ИО. Если в процессе работы появляется ошибка от заданного перемещения, то БУ подает сигнал для исправления ошибки. В качестве датчиков перемещений могут быть индуктосины для линейных измерений, прецизионные зубчатые рейки с многополюсными вращающимися трансформаторами, оптические измерительные шкалы с соответствующими датчиками для особо точных измерений, а также угловые измерительные устройства в виде обычного вращающегося трансформатора или револьвера (точного вращающегося трансформатора синусно-косинусного типа), измеряющие угол поворота вала двигателя подач.

 8. Блок скоростей подач обеспечивает заданную скорость подачи, а также процессы разгона и торможения в начале и конце участков обработки по заданному закону. Скорость подачи задается либо номером скорости соответствующего ряда скоростей со знаменателем =1,26, либо непосредственно в мм/мин. через 1 или даже через 0,1 мм/мин. Помимо рабочих подач, находящихся обычно в пределах от 5...10 мм/ мин. до 1500...2000 мм/мин, этот блок обеспечивает и холостой ход с повышенной скоростью, равной 5000...10000 мм/мин.

 9. Блок коррекции программы совместно с пультом управлением предназначается для изменения запрограммированных параметров обработки: скорости подачи, величины перемещения инструмента и т.д. Изменение скорости подачи в пределах от 5 до 120% обычно сводится к ручному изменению частоты задающего генератора в блоке подач. Изменение величин перемещения инструмента по той или иной координате производится также вручную блоком корректоров, который выводится обычно на панель управления.

 10. Блок технологических команд служит для управления цикловой автоматикой станка, включающей поиск и смену режущего инструмента, смену скорости вращения шпинделя, частоту подачи, включение и выключение СОЖ и т.д. Цикловая автоматика станка состоит в основном из исполнительных элементов типа пускателей, электромагнитных муфт, соленоидов, концевых и конечных выключателей, реле тока, реле давления и других элементов, сигнализирующих о состоянии исполнительных органов.

 11. Блок стандартных циклов служит для облегчения программирования и сокращении длины программоносителя при позиционной обработке повторяющихся элементов детали, например при сверлении и растачивании отверстий, нарезание резьбы и т.д.

Например, на перфоленте не программируются такие движения, как быстрый подвод сверла к обрабатываемой детали и его вывод из готового отверстия при многократном сверлении одинаковых отверстий - это заложено в соответствующем стандартном цикле, например, G81. В первом кадре, с которого начинается обработка группы одинаковых отверстий, записываются координаты первого отверстия, номер инструмента, скорость подачи, глубина сверления и расстояние до поверхности детали, а также адрес G81. Для обработки всех последующих одинаковых отверстий этой группы в последующих кадрах необходимо указывать только координаты отверстий, при этом цикл работы станка будет повторяться при минимуме вводимой информации.

Обычно используют до 10 подобных циклов в одной СПУ.

 12. Блок питания обеспечивает питание необходимым напряжением и током всех блоков СПУ от обычной 3-х фазной сети. Особенностью этого блока является наличие стабилизаторов напряжения и фильтров, защищающих электронные схемы СПУ от помех, всегда имеющих место в промышленных силовых сетях.

Помимо этих блоков иногда применяют блоки адаптации, которые являются средством повышения точности и производительности обработки при изменяющихся по случайному закону внешних условиях, например, припуска на обработку, твердости обрабатываемого материала, затупления инструмента и т.д. Дело в том, что любая СПУ по существу является разомкнутой системой управления, т.к. она не "знает" результата своей работы. В СПУ с обычной обратной связью деталь ею не охвачена; задается только перемещения инструмента относительно детали. К адаптивным принадлежат также системы, которые автоматически учитывают изменения базовых размеров детали с помощью соответствующих датчиков или корректируют изменение линейных размеров в зависимости о температуры.

---

Требования, предъявляемые к СПУ станками

При проектировании СПУ, а также при выборе элементов этих систем необходимо обеспечить:

 1. Достаточно высокую точность работы СПУ, что в значительной мере зависит от точности измерительных и отсчетных устройств системы. В дискретных системах ПУ предельная точность измерений и расчетов ограничена разрешающей способностью програмных устройств и датчиков положения.

При точности обработки +-10 мкм разрешающую способность в СПУ целом желательно иметь до 5 мкм, а в отдельных случаях - до 2 мкм. При этом погрешность отсчетных и измерительных устройств будет равна соответственно 2,5 и 1,0 мкм.

Увеличение разрешающей способности СПУ всегда связано с увеличением объема программной информации и усложнением электронной части системы. Поэтому повышение разрешающей способности СПУ должно оправдываться чисто технологическими соображениями, связанными с точностью обработки деталей. Разумеется, что на станках для предварительной обработки одновременно со снижением точности должна подниматься и разрешающая способность СПУ. Однако высокая точность обработки зависит не только от высокой разрешающей способности системы, но и от точности изготовления и конструкции отдельных звеньев кинематических цепей. Поэтому станки высокой точности с ПУ должны конструироваться с учетом ряда особых специфических требований.

 2. Заданную производительность. Элементы современной вычислительной техники, кроме релейных и пневматических, позволяют без особых трудностей создать устройства для обработки импульсной информации, следующей с частотой 3000...5000 имп/сек. Если принять для средних станков высокой точности разрешающую способность системы ПУ в 5 мкм, то при частоте следования импульсов программы 5000 имп/сек, линейная скорость рабочих органов будет 1500 мм/мин, а у тяжелых станков пониженной точности обработки и при разрешающей способности 50 мкм 15 м/мин. Значит, производительность металлорежущих станков не ограничивается степенью быстродействия вычислительных устройств СПУ, а определяется из чисто технических соображений.

 3. Достаточно высокую надежность, что требует принятия ряда конструктивных мер при разработки и конструировании СПУ и создания соответствующих организационно-технических мероприятий как на предприятиях, изготовляющих СПУ, так и на предприятиях, эксплуатирующих СПУ. В современных СПУ наработка на один отказ составляет 2000-2500 часов при условии правильной эксплуатации.

 4. Упрощение конструкции и снижение стоимости СПУ, что достигается за счет агрегатирования, т.е. создания типовых блоков или агрегатов, из которых затем комплектуется система ПУ с требуемыми для данного назначения характеристиками. Например, наиболее существенно различаются СПУ в зависимости от количества одновременно работающих координат станка. Каждая лишняя координата влечет за собой лишний блок управления приводом, усложняет интерполятор, увеличивает объем входной памяти устройства управления. В связи с этим в станках с большим количеством координат (5-6), но с небольшим количеством единовременно работающих координат (многооперационные станки) применяют устройства с минимальным количеством одновременно работающих координат (обычно 2-3). Управление остальными координатами производится путем переключения устройства управления на управление другими приводами подач, которые в отключенном состоянии фиксируются в неподвижном положении. Далее количество и вид необходимой коррекции, количество стандартных циклов, тип индикации и т.д. в более простых станках, как правило, могут быть ограничены. Так, например, стоимость СПУ "Mark-Century 550" американской фирмы "Дженерал - Электрик" снижена примерно в 3 раза за счет возможности одновременного управления только 2-я координатами при общем их количестве до 3-х, ограничением разрешающей способности до 40 импульсов на 1 мм вместо скорости подачи до 1000 мм/мин при наличии быстрого хода до 3000 мм/мин, отсутствием буферной памяти, что приводит к остановке приводов при смене каждого кадра, ограничением мощности приводов подач до 0,25 кВт.

 5. Современная СПУ должна иметь возможность: принудительного прерывания процесса обработки, вывода инструмента из зоны обработки и возврата в нее без потери информации по желанию оператора, индикацию фактического абсолютного значения координат, ручного ввода информации с панели управления, перемотки перфоленты в начало и конец заданного кадра по номеру кадра, заданного с панели управления, пропуска кадров отмеченных знаком "del" по желанию оператора, повторение цикла обработки по приказу с перфоленты, контроля вводимой информации и автоматического прекращения обработки при обнаружении ошибки с индикацией ее на панели управления.

---

Подготовка и порядок подготовки программы

Для составления программы изготовления детали необходимо иметь рабочий чертеж детали и заготовки, по которым разрабатывают подробный технологический процесс обработки детали с указанием режима обработки (скорость, число об/мин, СОЖ), а также вспомогательные движения применительно к заложенной на станке системе управления.

После этого выбирается начало системы координат, первоначальное положение инструмента и его последующие относительное перемещение относительно начала координат. Затем траектория относительного движения инструмента разбивается опорными точками на отдельные участки. Опорные точки при обработке прямолинейных участков обычно устанавливаются на границах этих участков, даже если они непаралельны направлению осей координат. При обработке криволинейных контуров опорные точки в зависимости от точности их изготовления и способа аппроксимации располагаются с небольшими интервалами на этой кривой. Определение координат промежуточных (текущих) точек между опорными точками осуществляется автоматически интерполяторами, которые выдают информацию в унитарном коде.

После установления опорных точек составляют программу со всеми необходимыми командами, которую переносят на перфоленту, а при декодированном способе записи программы - ее перезаписывают на магнитофонную ленту.

Для записи и ввода в систему управления кодированной информации наиболее широко используется перфолента. Она применяется как для систем координатного, так и контурного управления.

В настоящее время в России и за рубежом в системах ЧПУ преимущественно используется телеграфная перфолента шириной 17,5 мм для 5-и дорожечной записи и 22,5 - для 6 и 7 дорожечной. Для 8-и дорожечной записи за рубежом применяются перфолента шириной 25 мм. Шаг между перфорациями по строке и между дорожек не зависимо от их числа составляет 2,5+-0,05 мм. Диаметр кодирующих отверстий 1,8 мм, а диаметр трансляртных отверстий 1,2 мм. Достоинством таких лент является их малая цена и наличие дешевых стандартных перфораторов.

Перфокарты, несмотря на то, что для записи и считывании информации с них существует широкий комплект оборудования, применяются в системах ЧПУ сравнительно редко. Перфокарты, в ряде случаев, являются одним из элементов комплекта подготовки программы для автоматического программирования. Недостатками перфокарты являются громоздкость считывающего устройства и неудобство их хранения и транспортировки.

В России имеются два типа перфокарт: на 45 и 80 колонок и 12 строк, на которые может быть записана информация на любых 540 или 960 позициях. Запись производится в обоих направлениях стандартными перфораторами двух типов: однопериодными и двухпериодными, отличающимися тем, что в первом случае происходит поочередная пробивка отверстий, а в другом одновременная по предварительному набору.

Магнитная лента. Для записи программ в станках с ЧПУ в России преимущественное распространение получила лента шириной 35 мм, которая удобна в цеховых условиях, т.к. обладает высокой прочностью и не образует узлов при случайной размотке рулона, как это имеет место при использовании узкой ленты. В РОССИИ выпускаются ленты типа 2, 6, 7ВТ. Скорость протягивания ленты в системах ЧПУ находится в пределах от 100 до 200 мм/сек. Ленты, шириной 35 мм, позволяют осуществлять многоканальную запись с числом дорожек от 12 до 15.

В настоящее время за рубежом выпускают специальные магнитные ленты. Так в США выпускают ленты, выдерживающие значительные механические нагрузки, высокие скорости протягивания и перемотки, высокую температуру - от -40 до +90 С, тогда как ленты РОССИИ допускают температуру от -30 до +75 С. Долговечность таких лент США в условиях высокого нагрева и давления в 15 раз выше обычных лент.

Другой специальный тип ленты, выпускаемый в США, покрыт оксидным слоем, который имеет проводимость в 1000 раз большую, чем у обычной ленты, что предотвращает электрические разряды. В покрытии лент заключена также обильная силиконовая смазка, предотвращающая истирание магнитных головок и увеличивающая долговечность ленты.

Фирма "Агфа" (Германия) выпускает специальную магнитную ленту для ЧПУ станками с повышенной прочностью и не чувствительностью к загрязнению. Последнее достигается нанесением на магнитный слой тонкой полиэфирной пленки, которая защищает магнитные головки от истирания. Лента выпускается шириной 24,5 и 35 мм различной толщины, трех типов: А, Б и В.

Кроме магнитной ленты в системах ЧПУ станками находят применение магнитные барабаны, которые можно использовать при ограниченном объеме информации. В одном случае магнитные барабаны используются в системе управления координатно-расточными станками с записью программы по первой детали. На каждую дорожку барабана записывается информация об одной координате перемещения, а число дорожек определяется числом возможных технологических переходов.

В другом случае в системе ЧПУ координатного управления использовано запоминающее устройство на магнитном барабане от вычислительной машины. На нем записывается типовая информация, которая может быть использована для большинство деталей, но в этом случае магнитный барабан не является программоносителем, а является постоянной памятью системы.

---

Устройства подачи программоносителя и считывания программы

В зависимости от типа программоносителя используются различные считывающие и транспортные устройства.

Считывание с перфоленты может осуществляться и последовательным и параллельным способом. В первом случае кадр информации считывается последовательно - строка за строкой, во втором - весь кадр сразу. Но и в одном, и в другом случае перфолента останавливается. Однако остановка ввода программы должна быть незначительной. Установлено, что остановка исполнительных органов при обработке на фрезерном станке с контурной системой ЧПУ даже на 0,01 сек может привести к значительным дефектам обрабатываемой поверхности. Поэтому в системах контурного ЧПУ новый кадр информации должен вводиться менее чем за указанный выше промежуток времени. Это достигается обычно применением двух вспомогательных устройств, в одно из которых вводится новый кадр еще при обработке старого кадра.

В системах координатного управления частота ввода новых кадров мала и определяется временем обработки в одной позиции. В этом случае можно делать временные разрывы между кадрами без опасности получения брака при обработке.

Преимуществом последовательного считывания при координатном управлении является упрощение электронной части системы управления (требуется одно запоминающее устройство), но зато усложняется электромеханическая часть системы управления. При параллельном считывании оба запоминающих устройства выполняются электронными.

Выбор того или иного типа считывающих устройств зависят от величины подачи на станке и типа интерполяции. Так для линейных интерполяторов, предназначенных для фрезерования легких сплавов, требуются быстродействующие фотоэлектрические считывающие устройства со скоростью считывания до 1000 строк в секунду.

Для линейно-круговых интерполяторов вполне достаточны механические считывающие устройства последовательного типа со скоростью 50-60 строк в сек.

В настоящее время распространены как электромеханические контактные считывания, так и фотоэлектрические. Одна из конструкций контактного считывания показана на рис. 10.

При повороте барабана на некоторый угол, соответствующий шагу рас положения перфораций отверстие по падает под щетку 3, в результате  чего замыкается электрическая цепь IV. Такое считывание является достаточно надежным и применяется как в устройствах последовательного, так и параллельного типа считывания. Электромеханическое считывающее контактное устройство последовательного действия обеспечивает в настоящее время скорость считывания кадра до 60 строк в сек в обоих направлениях перемотки. Это соответствует времени считывания примерно 0,15-0,3 сек, что исключает их использование в линейных интерполяторах.

Другими методами считывания информации являются методы изображенные на рис. 11 а, б, в, г.

Контактное устройство типа СУ-1 (рис.11а) предназначено для считывания 5-й и 8-й дорожечной телеграфной ленты со скоростью 5 - 10 строк в сек. в старт-стопном режиме. Считывание производится в момент остановки ленты.

Максимально допустимое напряжение на считывающих контактах 100 В, Imax = 2 А. Считывающее устройство позволяет считывать одну и ту же ленту не более 20 раз. Из 1000000 считанных строк  количество неверно считанных допускается не более 3. Если в ленте отверстия нет, то ощупывающие штыри 1 поднимутся только до упора в ленту, а контакты 2 будут разомкнуты. Если в ленте против штыря 1 будет отверстие, то контакты 2 замыкаются.

При пневматических способах (рис. 11 в) скорость считывания недостаточно высока. Для повышения скорости пневматического считывания против каждой дорожки на перфоленте располагают отрезок нагретой проволоки, который, при наличии отверстия обдувается сжатым воздухом. В результате охлаждения электрическое сопротивление отрезка проволоки, включенного в схему управления, снижается, что вызывает  срабатывание соответствующих спусковых элементов.

Фотоэлектрическое считывание (рис. 11 б) превосходит по скорости другие способы, обеспечивая скорость считывания строк кадра до 1500 в сек, но дороже остальных способов. Считывание информации осуществляется с помощью фотодиодов 3 при непрерывном движении ленты. Свет на фотодиоды попадает от электрической лампочки 1 через линзу 2. Чтобы обеспечить старт-стопный режим на высоких скоростях считывания кадра в таких устройствах применяются шаговые двигатели и двигатели постоянного тока с печатным ротором, обеспечивающим считывание перфоленты со скоростью до 300 и более строк в сек. и реверсивное действие лентопротяжного механизма.

Считывание перфокарт может производиться так же как и перфолент, электрическим, фотоэлектрическим и пневматическими способами. Считывающие устройства для перфокарт могут быть, так же как и для перфолент, последовательного и параллельного типа. При последовательном считывании необходимо считывать информацию при движении перфокарты. При этом скорость считывания может достигать 100 карт в минуту.

При параллельном считывании считывается одновременно вся перфокарта. Это существенно упрощает систему, но снижает скорость ввода информации.

На магнитной ленте применяются два метода записи программ: метод фазовой модуляции непрерывного сигнала и метод импульсной записи.

Амплитудно-модулированный сигнал записывать нельзя вследствие возможных колебаний уровня, которые вызывают брак при изготовлении детали.

Для воспроизведения записи на магнитной ленте в настоящее время преобладающее применение находят магнитные головки индукционного типа (рис.11г). Величина отдачи в таких головках пропорциональна скорости магнитной ленты.

Однако, вследствие стремления перейти на кодированную запись, снижают скорость протягивания магнитной ленты, что обеспечивает ее экономию. В связи с этим разрабатываются магнитные воспроизводящие головки с отдачей, независящей от скорости магнитной ленты. Существует несколько способов воспроизведения с малыми скоростями движения магнитной ленты. К ним относятся воспроизведение с помощью вибрационных головок, воспроизведение головками с магнитной модуляцией потока и с помощью полупроводниковых головок.

Вибрационным головкам сообщаются колебания вдоль магнитной ленты с амплитудой в несколько мкм и частотой в несколько кГц, что приводит к увеличению величины ЭДС, индуктируемой в обмотке головки. Существенным недостатком таких головок является их громоздкость и невысокая эксплуатационная надежность.

Более удобными в работе являются неподвижные головки с модуляцией магнитного потока. Среди них наибольшее распространение получили головки с удвоением частоты. Характерным для них является то, что в ее сердечнике вместе с магнитным полем от носителя записи действует вспомогательное поле – магнитное поле возбуждения, создаваемое током в обмотках, подключенных к вспомогательному источнику. В выходной обмотке вследствие этого индуктируется переменная ЭДС, амплитуда которой пропорциональна потоку Ф.

---

Кодирование технологических команд и логической информации

В любом коде программы содержатся команды управления и необходимая логическая информация. К ним относятся: указания о направлении перемещений, команды на смену инструмента, зажима заготовки, включения и выключения СОЖ и т.д. Кроме того, имеется обширная информация об адресах цифровых элементов кода. Такую информацию желательно обозначать буквами или нецифровыми символами, например, (+) и (-) для направления перемещения, (%) начало программы и т. д.

Так как информация вводится в систему отдельными кадрами, то необходимо различать следующие их разновидности: фиксированный кадр, переменный кадр и адресный кадр.

В фиксированном кадре имеется определенное количество строк с жесткой последовательностью их расположения. При этом независимо от количества передаваемой информации в кадре, его длина остается неизменной. Это является недостатком такого построения кадра.

Очень часто в кадре передается лишь часть максимально возможной информации, например перемещение, только по одной координате, когда другие неизменны. В этом случае удобно применять переменные кадры. При этом в программе ставится сигнал окончания кадра последней значащей цифровой информацией кадра. Длина программоносителя в этом случае значительно сокращается. Другой особенностью переменного кадра является то, что между смежными строками одного кадра можно ставить особый разделительный знак "ТАВ", что дает возможность записывать только ту информацию в данный кадр, которая отличается от информации предыдущего кадра. На месте информации оставшейся от предыдущего кадра, в программе ставится знак "ТАВ". Например, очень часто подача остается неизменной во всей программе. Тогда в каждом кадре на ее месте ставится знак "ТАВ".

В фиксированном и переменном кадрах последовательность различной информации является постоянной.

Более совершенным является адресный кадр, в котором каждому коду информации (перемещению, технологическим командам, логической информации) присваивается буквенный адрес, который указывает место данного кода в запоминающем устройстве. Это дает возможность не только сохранить повторяющуюся информацию, но и существенно уменьшить длину программоносителя.

Переход на адресный кадр более удобен при использовании восьмидорожечного программоносителя вместо пятидорожечного. Таким образом, в фиксированном и переменном кадрах можно применять как цифровую, так и буквенно-цифровую запись, а для адресного кадра желательно использовать только буквенно-цифровую запись.

Для записи программы на перфоленте в различных странах применяют различные коды. Так, в ФРГ узаконены стандартом VDI3259 код PCS для пятидорожечной перфоленты и коды AEG-PC8A и 8В - для восьмидорожечной перфоленты. В США специально для ЧПУ в 1961 году разработан код EIA (Electronic Industries Accociation) и код ASCII (American Standart Code for Information Interchange) для восьмидорожечной ленты.

В настоящее время применяют для СЧПУ разработанный в ЭНИМСе буквенно-цифровой код БЦК-5 (нормаль станкостроения Э68-1) и код ISO для применения в вычислительных машинах и устройствах обработки информации кода ISO-7bit.

Коды PC8,РC8A и 8В приняты в ФРГ с целью удобства использования клавиатуры существующих пишущих машинок в сочетании с перфорирующей приставкой.