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.