Пятиосевой фрезерный обрабатывающий центр с системой автоматической смены паллет для изготовления корпусных деталей ВКР / Дипломная работа (МТ-1)

Только РПЗ

РЕФЕРАТ

Расчетно–пояснительная записка 166с., 19 табл., 24 источника, 1 прил.

ГПМ построенного на базе 5-и координатного многоцелевого станка класса точности «В » с числовым программным управлением (ЧПУ), для возможности ведения высокоскоростного фрезерования деталей типа «корпус » ..

Объектом разработки является гибкий производственный модуль на базе многоцелевого станка (обрабатывающего центра).

Цель работы – модернизация базового варианта многоцелевого станка до уровня гибкого производственного модуля с целью увеличения производительности и уменьшения эксплуатационных затрат.

Поставленная цель реализуется за счет модернизации привода главного движения и приводов подачи, использования перегрузочного и накопительного устройств столов–спутников, применения современной системы числового программного управления.

Согласно проведенному анализу, проектируемый ГПМ полностью соответствует всем требованиям безопасности и охраны труда.

Расчет показателей экономической эффективности показал рентабельность проведения модернизации. Расчетный срок окупаемости проекта – примерно 2,58 года.

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ. 1
ВВЕДЕНИЕ. 4
1. ОБЗОР И АНАЛИЗ УЗЛОВ БАЗОВОГО СТАНКА.. 5
1.1. Введение. 5
1.2. Анализ компоновочного решения. 6
1.3. Анализ конструкции. 7
2. Анализ обрабатываемых на станке деталей и обоснование выбора ГПМ 11
2.1. Анализ типовой детали. 11
2.2. Суть ВСО.. 13
2.3. Технические характеристики проектируемого ГПМ... 14
3. СИСТЕМА УПАРВЛЕНИЯ ГПМ.. 16
3.1. Определение и обоснование технологических возможностей металлорежущего станка, управляемого выбираемой СЧПУ. 16
3.2. Задачи и функции, решаемые СЧПУ. 17
3.2.1 Геометрическая задача. 18
3.2.2 Логическая задача. 25
3.2.3 Технологическая задача. 31
3.2.4 Терминальная задача. 33
3.2.5 Диагностическая задача. 33
3.2.6 Перечень функций управления системы ЧПУ. 35
3.3. Обоснование и выбор системы СЧПУ. 36
3.3.1 Общие сведения. 36
3.3.2 Состав и описание модулей системы на основе Simodrive 611 и Sinumeric 840D.. 52
3.3.3 Пульт управления УЧПУ Sinumerik 840 D.. 61
4. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ. 65
4.1. Привод главного движения. 65
4.1.1 Конструкция привода главного движения. 65
4.1.2. Расчет привода главного движения. 66
4.1.3. Расчет системы зажима инструмента. 72
4.1.4. Расчет вала шпинделя на прогиб. 75
4.2. Привод подачи по осям X, Y, Z. 79
4.3. Поворотный стол – привод подачи по оси C. 84
4.4. Поворотный стол – привод подачи по оси B. 85
4.4.1 Конструкция поворотного стола. 85
4.5. Устройство смены столов спутников. 85
4.5.1 Конструкция устройства смены столов-спутников. 85
4.6. Инструментальный магазин. 87
4.10. Выбор материалов и назначение термической обработки наиболее ответственных узлов станка 88
4.11 Художественно-конструкторский анализ. 110
5. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ. 111
5.1. Исследование функций систем ЧПУ для проведения высокоскоростной обработки (ВСО) 111
5.1.1. Предварительный просмотр кадров LOOK AHEAD.. 112
5.1.4. NURBS интерполяция. 114
5.1.5. Коррекция погрешностей. 115
5.2. Исследование стратегий ВСО в САМ-системах для подготовки УП.. 116
5.2.1 Подготовка исходных данных. 117
5.2.3. Особенности создания операционной технологии. 118
5.2.5. Расчет и контроль УП.. 121
6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 123
6.1. Расчетно-технологическая карта. Этапы подготовки технологического процесса и управляющей программы по изготовлению детали из алюминия при использовании стратегий высокоскоростной обработки. 123
6.1.1. Подготовка исходных данных. 123
6.1.2. Разработка маршрутной технологии обработки детали на станке с ЧПУ с учетом ВСО 125
6.1.5. Контроль управляющей программы.. 128
6.1.6. Отработка программы и тех. процесса на электронной модели станка. 128
6.2. Применяемая оснастка и инструмент. 129
6.2.1. Разработка технологической оснастки. 129
6.2.2. Выбор инструментальной оснастки. 129
7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 130
7.1. Расчет затрат на разработку и внедрение модернизированного варианта станка. 131
7.1.1. Расчет производительности оборудования. 131
7.1.2. Расчет себестоимости модернизации оборудования. 132
7.1.3. Расчет предпроизводственных затрат. 135
7.2. Расчет экономической эффективности внедрения модернизированного варианта станка 137
8. ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ТРУДА.. 140
8.1. Анализ опасных и вредных факторов при работе на проектируемом ГПМ... 140
8.1.1 Вредные факторы.. 141
8.1.2. Освещение. 144
8.1.3. Шумы.. 146
8.1.4. Вибрации. 147
8.1.5. Эргономика рабочего места. 148
8.1.6 Пожароопасность. 149
8.1.7 Электроопасность. 150
8.1.8 Травмобезопасность. 151
8.1.9 Расчет систем заземления. 152
8.2. Охрана окружающей среды.. 153
8.2.1. Анализ воздействия на окружающую среду при работе на многоцелевом станке с ЧПУ 153
8.2.2. Расчет системы очистки сточных вод от механических примесей. 154
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 161
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 163
ПРИЛОЖЕНИЕ А.. 166

ВВЕДЕНИЕ

В дипломной работе рассмотрены вопросы проектирования и расчета гибкого производственного модуля (ГПМ), построенного на базе 5-и координатного многоцелевого станка класса точности «В » с числовым программным управлением (ЧПУ), для возможности ведения высокоскоростного фрезерования деталей типа «корпус » . Представлены этапы проектирования в интегрированной САПР от получения технического задания до создания элементов технологической системы и операционной технологии.

Спроектирован общий вид ГПМ с учетом эргономических параметров и художественного анализа. Проработана конструкция основных узлов ГПМ: шпиндельный узел, привод подач (оси Y), поворотные столы (оси В, С), инструментальный магазин, перегрузочное устройство. Их сборочные чертежи представлены в графической части проекта. Произведен ряд расчетов основных параметров конструкций.

Спроектирован технологический процесс обработки детали типа «корпус » , обрабатываемой на данном ГПМ и проведен расчет режимов обработки детали с учетом высокоскоростного резания, получены листинги управляющих программ.

В исследовательской части произведено исследование функций систем ЧПУ и САМ-систем для проведения высокоскоростного фрезерования.

Проведен экономический расчет проекта модернизации станка по параметрам эффективности внедрения на производство, рентабельности и сроков окупаемости.

Дан анализ конструкции ГПМ с точки зрения охраны труда: поставлены требования безопасности, предъявляемые к ГПМ; проведен расчет системы очистки сточных вод и расчет освещенности рабочего пространства. Также дан анализ влияния эксплуатации ГПМ на окружающую среду, проведен расчет систем очистки сточных вод от механических примесей.

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ УЗЛОВ БАЗОВОГО СТАНКА

1.1. Введение

Объектом проектирования является ГПМ построенный на базе многоцелевого 5-и координатного станка с ЧПУ для ведения высокоскоростной обработки деталей типа «корпус » размером 150х100х100 по 6 квалитету точности с классом шероховатости 8, имеющих сложные поверхности, требующих проведения линейной интерполяции по 3-м координатам X, Y, Z, круговой интерполяции по 2-м координатам X, Y в различных плоскостях, спиральной интерполяции, а также сплайновой интерполяции по 5-и координатам. Станок имеет возможность вести обработку всеми видами осевого инструмента (фрезерование, сверление, зенкерование, развертывание, церкование, нарезание резьбы) и на всех режимах (предварительная обработка, черновая, получистовая, чистовая и окончательная).

1.2. Анализ компоновочного решения

Компоновочное решение проектируемого ГПМ следующее:

Для обработки подобных корпусных деталей станок для подвода шпиндельного узла может иметь горизонтальную или вертикальную компоновку. Вертикальная схема расположения шпиндельного узла (перемещение по оси Z) выбрана вследствие меньших занимаемых размеров, удобства написания управляющих программ и рациональности использования для деталей типа «плит » , т.к. оборудование с ЧПУ используется для обработки большой номенклатуры деталей.

Шпиндельный узел консольно закреплен на колонне, которая передвигается по оси ОY, основание перемещается по оси ОХ. Для обработки с 5-ти сторон имеется поворотный (Ось В) стол, на котором стоит планшайба (Ось С), осуществляющие поворот заготовки вокруг осей В и С. Данный элемент значительно расширяет технологические возможности станка, повышает производительность – исключает переустановку заготовки, а также удобен в обслуживании т.к. может легко быть снят и смонтирован.

С целью увеличения производительности базовый вариант станка должен быть оснащен автоматической системой смены столов спутников.

Так как ГПМ проектируется для высокоскоростного фрезерования, то его компоновка должна обладать повышенной жесткость, с этой целью проектируемый станок имеет более компактную компоновку, применением наклонного основания, на котором расположены направляющие, для перемещения шпиндельной бабки с колонной в продольном и поперечном направлении.

1.3. Анализ конструкции

Шпиндельный узел

В данной конструкции используется интегрированный мотор-шпиндель. Двигатель является составной частью шп. вала и корпуса шпинделя. Подобная конструкция обеспечивает высокие скорости вращение шпинделя и отсутствие дополнительных узлов посредников. Несмотря на то, что при использовании мотора-шпинделя возможно развить большие мощности, для обработки деталей данного типоразмера, высокой точности и высокого квалитета шероховатости, применение такой конструкции полностью оправдано.

Для обеспечения главного движения используется индукционный трехфазный двигатель переменного тока бесступенчатого регулирования, который полностью удовлетворяет всем требованиям, предъявляем по критериям динамики и широте диапазона регулирования частоты вращения.

В качестве опор используются пара шариковых подшипников с угловым контактом. Передняя и задняя опора собрана по технике «спина к спине » . Подшипники предварительно нагружены для восприятия как осевых, так и радиальных нагрузок.

Недостатками конструкции является недостаточно большой диапазон регулирования скорости для проведения высокоскоростного фрезерования, что требует мощности мотор-шпинделя свыше 10 кВт и частоты вращения 20000 об/мин. Современный уровень развития требует использование встраиваемых синхронных двигателей с поверхностным покрытием ротора постоянными магнитами «Al-Ni-Co » .

Привод подач

Для обеспечения перемещения стола и салазок станка используется высокомоментный электродвигатель переменного тока с встроенным тормозом. Он имеет недостаточно высокие динамические характеристики и обеспечивает не высокую скорость перемещения рабочего органа при малом шаге винта.

Современный уровень развития требует использование двигателей с предельно высокими динамическими характеристиками, поэтому предпочтение отдается приводам подач, характеризующимися широким диапазонов бесступенчатого регулирования,с синхронными двигателями с возбуждением постоянными магнитами. Максимальная скорость такого привода до 80 000 мм/мин.

Опорой является комбинированный подшипник. Он обеспечивает достаточно высокую точность и радиальную жесткость [1].

Для передачи крутящего момента с вала двигателя на ходовой винт используется сильфонная муфта, она достаточно хорошо компенсирует угловые и осевые смещения, возникающие вследствие погрешности установки двигателя и опор ходового винта.

Поворотный стол (ОсьВ)

Поворот стола осуществляется короткозамкнутыми асинхронными двигателями переменного тока с частотным методом регулирования.

Опорами служат комплект радиальных – упорных роликовых подшипников.

Обратная связь производится с помощью кругового импульсного фотоэлектрического датчика ЛИР, установленного на червяке. Принцип действия основан на фотоэлектронном сканировании штриховых растров. Поток излучения светодиода модулируется растровым сопряжением, создаваемым перемещающимися относительно друг друга растровой шкалой и индикаторной пластиной с растровым анализатором, и регистрируется фотодиодом.

ЛИР обеспечивает точное угловое вращение поворотного стола – +/-30’’.

Редуктор состоит из червяка и червячного колеса. Гидравлический тормоз обеспечивает фиксирование стола после его поворота в заданное угловое положение.

Тенденция современного развития и ведения высокоскоростной обработки требует применения встраиваемых высокомоментных синхронных двигателей переменного тока (прямого привода), что позволяет увеличить динамику, жесткость и грузоподъемность привода.

Планшайба (ОсьС)

Поворот стола осуществляется короткозамкнутыми асинхронными двигателями переменного тока с частотным методом регулирования.

Опорами служат комплект радиальных – упорных роликовых подшипников.

Обратная связь производится с помощью кругового импульсного фотоэлектрического датчика ЛИР.

ЛИР обеспечивает точное угловое вращение поворотного стола – +/-30’’.

Вращающий момент передается через планетарную передачу. Гидравлический тормоз обеспечивает фиксирование стола после его поворота в заданное угловое положение.

Тенденция современного развития и ведения высокоскоростной обработки требует применения встраиваемых высокомоментных синхронных двигателей переменного тока (прямого привода), что позволяет увеличить динамику, жесткость и грузоподъемность привода.

Система смены инструмента.

Производится ориентация шпинделя, затем шпиндельная бабка отводится в верхнее фиксированное положение (300 мм от зеркала стола) для смены инструмента (ось Z).

Открытие дверцы инструментального магазина.

Захват оправки с использованным инструментом.

Подъем шпиндельной бабки.

Выбор необходимого инструмента.

Опускание шпиндельной бабки и захват нового инструмента.

Отвод инструментального магазина.

Закрытие дверцы инстр. магазина.

2. Анализ обрабатываемых на станке деталей и обоснование выбора ГПМ

2.1. Анализ типовой детали

Обозначение обрабатываемых поверхностей.

Деталь, обрабатываемая на проектируемом ГПМ, представляет собой сложный набор различных поверхностей, расположенных с пяти сторон детали. Среди этих поверхностей: плоскости (1, 4, 5); цилиндрические отверстия со скрещивающимися осями (7, 8); пазы (2, 6); сферическая поверхность (3); скругления (10); крепежные отверстия (9, 7).

Так как деталь имеет много поверхностей, и обработка будет осуществляться за один установ (max число поверхностей), а соответственно бедет производиться черновая и чистовая обработки, то необходимо, чтобы проектируемый ГПМ имел инструментальный магазин с достаточным количеством инструментов и автоматическую смену инструментов.

Для обработки данной детали необходимо, чтобы ГПМ имел 5 управляемых координат (3 линейные и 2 круговые).. Число одновременно управляемых координат равно 5-ти (поверхность 3, поверхность крыльчатки).

Система ЧПУ проектируемого станка должна обеспечивать различную интерполяцию:

линейную в плоскостях XY(1), YZ(6), XZ (11);

круговую в плоскостях XY(2, 3), YZ(4,5), XZ ;

винтовую.

Различные виды сплайновой интерполяции X,Y,Z,C,B

Из чертежа детали видно, что наиболее точная поверхность изготавливается по 6 квалитету точности, класс шероховатости 7, значит проектируемый ГПМ должен иметь класс точности П.

Разрабатываемый ГПМ с числовым программным управлением предназначен для высокоскоростной и точной обработки произвольно расположенных поверхностей деталей.

Проектируемый ГПМ рассчитан для высокоскоростного фрезерования легких материалов (дюралий Д-6, деформируемые алюминиевые сплавы АК4, АК 6, силумины АК12, АЛ 2, латуниевые сплавы). Для этого необходимо, чтобы приводы подач имели соответствующие величины и диапазоны подач, а привод ГД обеспечивал требуемые частоты вращения шпинделя и усилия резания.

На ГПМ можно выполнять следующие технологические операции:

- фрезерование

- сверление

- зенкерование

- развертывание

- растачивание

- нарезание резьбы

Обработка произвольно расположенных поверхностей осуществляется посредством линейных перемещений стола, салазок, шпиндельной бабки по осям Х Y, Z, поворотом обрабатываемой детали по оси С и поворотом шпиндельной головки по оси В.

Для повышения производительности ГПМ снабжен устройством смены столов-спутников (палет). Во время обработки очередной детали оператор устанавливает на стол-спутник новую заготовку. После обработки происходит автоматическая смена палет, и начинается новый цикл обработки.

Так как ГПМ разработан с учетом проведения высокоскоростной оработки, то нужно учитывать все необходимые требования для проведения ВСО.

2.2. Суть ВСО

HSM обработка — одна из современных технологий, которая, по сравнению с обычным резанием, позволяет увеличить эффективность, точность и качество механообработки. Ее отличительная особенность — высокая скорость резания,

при которой значительно увеличивается температура в зоне образования стружки, материал обрабатываемой детали становится мягче, и силы резания уменьшаются, что позволяет инструменту двигаться с большой рабочей подачей.

Первое официальное объяснение явления HSM было предложено Карлом Саломоном в 1931 году. Он предположил, что при некоторой скорости резания, которая является в несколько раз выше, чем при обычной механообработке,

теплопередача от стружки к инструменту начинает уменьшаться. Невозможно (даже сегодня) в полной степени проверить теорию, предложенную Карлом Соломоном, и мы можем опираться только на результаты недавно

осуществленных экспериментов и материалы конференций по HSM, регулярно проводимых за рубежом.

Эффект HSM обуславливается структурными изменениями материала (из-за пластических деформаций [2],

осуществляемых с большой скоростью) в месте отрыва стружки. При повышении скорости деформаций силы резания

первоначально растут, а потом, с достижением определенной температуры в зоне образования стружки, вдруг начинают существенно снижаться.

Самое замечательное, что время контакта режущей кромки с заготовкой и стружкой

так мало, а скорость отрыва стружки столь высока, что большая часть тепла, образующегося в зоне резания, удаляется вместе со стружкой, а заготовка и инструмент просто не успевают нагреваться.

Формирование стружки — наиболее важный аспект HSM. Как известно, во время формирования стружки, 80% тепла образуется в зоне механической деформации материала, 18% — в зоне контакта стружка-инструмент, и 2% — в зоне

трения режущей кромки инструмента о материал.

Характеристики ВСО:

Наиболее полно принципы и возможности HSM реализуются при 5-ти осевом фрезеровании [3]. Поэтому, в недалеком будущем HSM будет рассматриваться как 5-ти осевая механическая обработка, так как позволяет обрабатывать труднодоступные поверхности более эффективно, используя инструмент с меньшим вылетом, что приводит к увеличению жесткости инструмента и использования более высоких скоростей резания при сохранении точности (4-5 мкм), а также используя новые виды интерполяций для 5-ти осевой непрерывной обработки, что приводит к увеличению производительности в 2 раза.

2.3. Технические характеристики проектируемого ГПМ

Класс точности В

Рабочий диапазон:

продольное перемещение по оси X 300 мм

поперечное перемещение по оси Y 300 мм

перемещение шпиндельного узла по оси Z 300 мм

вращение поворотного стола по оси В +90,-90˚

вращение поворотного стола по оси С 360˚

Привод подач

Скорости:

по осям X,Y, Z 1-20000 мм/мин

по оси В

по оси С

Усилия подач:

по осям X, Y, Z 1500 Н

Ускоренные ходы:

по осям X, Y, Z 60 000 мм/мин

Дискретность отсчета координат по осям X, Y, Z 0,001 мм

Дискретность отсчета координат по осям В, С 0,001˚

Привод подач:

Вид электродвигателя Синхронный

Мощность двигателя 4,6 кВт

Диапазон частот вращения 4000 об/мин

Момент 6.0 Нм

Шпиндель станка:

Диапазон частот вращения (плавно регулируемый) 1000-40 000 об/мин

Наибольший крутящий момент 8.0 Нм

Мощность привода 14.5 кВт

Системы измерения перемещений:

Система измерения ЛИР-7 для осей X, Z и Y

Система измерения Renishaw RGH20. для осей В, С

Разрешающая способность для осей X, Y и Z 0,001 мм

3. СИСТЕМА УПАРВЛЕНИЯ ГПМ

3.1. Определение и обоснование технологических возможностей металлорежущего станка, управляемого выбираемой СЧПУ

Для высокоскоростной обработки данной корпусной детали станок для осуществления главного движения должен иметь шпиндель вертикальной компоновки с регулируемым приводом. Данная схема расположения шпиндельного узла выбрана вследствие удобства написания управляющих программ и рациональности использования для деталей типа «корпус » , т.к. оборудование с ЧПУ используется для обработки большой номенклатуры деталей [4].

Для перемещения шпиндельного узла в продольном и поперечном направлении, для осуществления интерполяции используются направляющие по оси ОХ, ОY. Для обработки с 5-ти сторон и различных видов сплайновых интерполяций используются поворотные столы, осуществляющие поворот заготовки вокруг осей В и С. Данный элемент, значительно расширяет технологические возможности станка.

Т.к. данная деталь технологически сложна и имеет широкий диапазон режимов обработки и как следствие большое количество используемого инструмента в одном цикле обработки рационально будет использование инструментального магазина с автоматической сменой.

Рабочие органы станка:

- Шпиндельная бабка – осуществляет главное движение и вертикальную

подачу (привод вертикальной подачи– рабочей и

ускоренной).

- Привод подач – поперечная и продольная подача (рабочая и ускоренная).

- Поворотный стол – осуществляет базирование, закрепление и

позиционирование заготовки в системе станка,

необходим для пятикоординатной обработки, т.к.

осуществляет поворот заготовки вокруг осей В и С.

Вспомогательные органы:

- Инструментальный магазин – позволяет производить смену

инструмента предусмотренную технологическим

процессом..

- Устройство для смены столов-спутников.

- Система отвода стружки и СОЖ.

Количество управляемых координат – 5, из них одновременно – 5.

3.2. Задачи и функции, решаемые СЧПУ

Классы задач УЧПУ состоят в:

- управление формообразованием детали (геометрическая задача)

- управление цикловой автоматикой (логическая задача)

- управление рабочим процессом (технологическая задача)

- терминальная задача (пульт управления)

Взаимодействие с окружающей средой выражается в диалоге с оператором или в информационном обмене с ЭВМ верхнего уровня.

- диагностическая задача.

3.2.1 Геометрическая задача

- ввод и хранение системного программного обеспечения:

К системному программному обеспечению относят совокупность программ, отражающие алгоритмы функционирования конкретного объекта. В УЧПУ низших классов системное программное обеспечение заложено конструктивно и не может быть изменено, и УЧПУ может управлять лишь данным, поскольку у разных объектов существуют различия в алгоритмах формообразования по числу координат управления, скоростям и ускорениям движения инструмента. Разнообразие типов приводов и состав технологических команд объектов ведет к различиям в количестве и характере сигналов обмена. В системах, обеспечивающих управление широким классом объектов, в так называемых, многоцелевых СЧПУ, при настройке СЧПУ для решения определенного круга задач системное программное обеспечение вводится извне.

В автономных многоцелевых устройствах управления системным программным обеспечением вводится с дисковых накопителей, в автоматизированных устройствах (в составе АСУ ТП и ГАП) – по каналу связи с ЭВМ верхнего уровня. Естественно, что системное программное обеспечение хранится в памяти системы до тех пор, пока не меняется объект управления. При замене объекта управления необходим ввод в СЧПУ нового программного обеспечения, которое определило бы алгоритмы функционирования этого нового объекта [5].

Необходимо различать системное программное обеспечение и управляющие программы: Обеспечение остается неизменным для данного объекта управления, а управляющая программа изменяется при изготовлении разных деталей на одном и том же объекте. В выбираемой СЧПУ память для хранения системного программного обеспечения должна быть энергонезависимой, т.е. сохранять информацию при пропадании напряжения питающей сети.

- ввод и хранение управляющей программы:

Управляющая программа вводиться в СЧПУ с дискового накопителя, с пульта управления или по каналам связи с ЭВМ высшего уровня. Память для хранения управляющей программы, которая обычно представляется в коде ИСО, должна быть энергонезависимой. В СЧПУ высших классов управляющая программа обычно вводиться сразу и целиком и запоминается в оперативной памяти системы. Однако в ряде СЧПУ используется также метод покадрового ввода управляющей программы – путем поэтапного (покадрового) чтения перфоленты фотосчитывающим устройством системы управления.

В выбираемой системе введенная управляющая программа после отладки и редактирования с использованием СЧПУ может быть введена на какие – либо внешние устройства: автоматическое печатающее устройство, графопостроитель, дисплей, накопитель на магнитных дисках и т.д.

- интерпретация кадра:

Управляющая программа состоит из составных частей – кадров. Отработка очередного кадра требует проведения ряда предварительных процедур, называемых интерпретацией кадра. Для непрерывности контурного управления процедуры интерпретации i+1-го кадра должно быть реализованы во время управления объектом по i-му кадру. Иначе говоря, система управления должна быть готова к немедленной (без перерывов на чтение и распознание кадров) выдаче команд управления в соответствии с командами последующего кадра после исполнения команд, заложенных в кадре текущем.

Кадры содержат подготовительные функций, функции перемещения и вспомогательные функции. Каждый кадр заканчивается знаком “конец кадра” (LF). Этот символ должен быть записан всегда. Программа начинается %.

Каждый кадр содержит не менее 2 слов. Слово состоит из адреса, обозначенного буквой и числа, отображающего либо величину перемещения, либо величину подачи, либо код другой функции. Например, N002 Y+012345 означает, что перемещение стола в положительном направлении оси Y на величину 12345 дискрет (импульсов), что при дискретности 0,01 мм означает перемещение на 123,45 мм.

Международной организацией по стандартам ISO разработаны символы для использования в различных адресах:

A – условная координата вокруг оси X;

B – условная координата вокруг оси Y;

C – условная координата вокруг оси Z;

D – угловая координата вокруг специальной оси;

F – функция приращения подачи;

G – подготовительная функция;

H – постоянно запасная функция;

I – параметр интерполяции или шаг резьбы, параллельно оси X или начальный угол касательного круга по отношению к оси X;

J – параметр интерполяции или шаг резьбы, параллельно оси Y;

K – параметр интерполяции по отношению к оси Y;

L – параметр интерполяции по отношению к оси Z;

M – вспомогательная функция;

N – номер кадра;

R – ускорение перемещения по оси Z;

S – скорость вращения шпинделя;

T – функция инструмента;

X – главное движение по оси X;

Y – главное движение по оси Y;

Z – главное движение по оси Z;

U – второстепенное движение по оси X;

V – второстепенное движение по оси Y;

W – второстепенное движение по оси Z;

Виды интерполяции: линейная, круговая, винтовая, сплайновая [6].

- Интерполяция – положение с заданной точностью координат промежуточных опорных точек траектории движения по координатам крайних опорных точек аппроксимируемой плоскости с заданной функцией интерполяции. Одной из основных задач, решаемой системой ЧПУ, является обеспечение движения инструмента относительно детали по заданной траектории. Каждый участок задается координатами начальной и конечными точек и параметрами уравнения участка. При обработке заданной детали ведется линейная и круговая интерполяция. При линейной интерполяции в кадре указываются тип интерполяции (G01) и координаты конечной точки участка. Координаты конечной точки являются координатами начальной точки следующего участка. При круговой интерполяции указываются тип интерполяции (G02- круговая интерполяция по часовой стрелке, G03- круговая интерполяция против часовой стрелки) и параметры интерполяции в виде координат центра дуги. Алгоритмы интерполяций можно разделить на 2 группы. К 1-ой группе относятся алгоритм оценочной функции и метод цифрового дифференциального анализатора, ко 2-ой группе относится метод цифрового интегрирования (МЦИ). В многоцелевых системах ЧПУ применяются алгоритмы интерполяции, относящиеся ко 2-ой группе.

- управление приводом:

1. Управление приводом перемещения стола (ось Х). При поступлении управляющего сигнала с устройства ЧПУ (Хзад) происходит включение двигателя 1FT6, связанного через муфту с ходовым винтом, который в свою очередь через шарико–винтовую пару передает линейное перемещение рабочему органу - столу (координата Х). Для каждой координаты предусмотрено 3 концевых выключателя. При наезде на первый выключатель происходит торможение до малой скорости, при наезде на второй концевой выключатель происходит останов привода, третий выключатель служит аварийным датчиком.

Реализация обратной связи по положению. Для реализации обратной связи по положению и скорости в качестве измерительных преобразователей используются ЛИР7 [7] . Принцип действия преобразователей линейных перемещений основан на фотоэлектрическом считывании растровых сопряжений. В качестве осветителей используются инфрокрасные светодиоды, а приемниками излучения служат кремнивые фотодиоды выдающий в устройство ЧПУ фактическое значение координаты (Хф). Систему ЧПУ посылает на двигатель сигнал рассогласования (∆Х).

Реализация обратной связи по скорости. Обратная связь реализуется через измерительный преобразователь (ИП1), выдающий в устройство ЧПУ фактическое значение подачи (Fф). Систему ЧПУ посылает на двигатель сигнал рассогласования (∆F).

Автоматический выход РО в «0 » G28. Для этого используется специальный датчик ИП5

Возможность управления привода в относительных и абсолютных координатах: G91, G92.

Функция работы с циклами G81-89. Выделение повторяющихся (стандартных) участков программы, называемых циклами, является эффективным сокращением управляющей программы. Так называемые фиксированные циклы характерны для определенных технологических операций (сверление, зенкерование, растачивание, нарезание резьбы и т.п.) и встречаются при изготовлении многих изделий.

При разработке управляющей программы фиксированные циклы указываются в программе, а их обработка ведется в соответствии с определенной подпрограммой, заложенной в память СЧПУ системой программного обеспечения или конструктивной схемой.

Программные технологические циклы соответствуют повторяющимся участкам данной обрабатываемой детали. Эти циклы в определенных СЧПУ также могут быть выделены и занесены в оперативную память СЧПУ, а при повторениях в соответствии с командами управляющей программы, реализовываться с вызовом их из оперативной памяти. Выбранная система СЧПУ позволяет совершать циклы G81-G89/

7) Функция коррекции: «L » G41, G42, G43, G51, G52, G53.

Коррекция управляющей программы на длину инструмента сводится к параллельному переносу координат, т.е. смещению [8].

Учет фактического радиуса инструмента сводится к формированию траектории, эквидистантной запрограммированной. При работе текущие показания координат корректируются записями из таблиц погрешностей.

2. Управление приводом перемещения (ось Y)-аналогично рассмотренному выше приводу по оси Х.

3. Управление приводом перемещения шпиндельной фрезерной головки (ось Z).-аналогично рассмотренному выше приводу по оси Х.

4. Управление приводом Ось B.

Поворот делителя осуществляется от встроенного синхронного двигателя М4. Измерение угла поворота стола осуществляется с помощью преобразователя угловых перемещений ИП25.. Также на делителе имеется по 3 конечных выключателя с каждой стороны (-90.....90). При наезде на первый выключатель происходит торможение до малой скорости. При наезде на второй концевой выключатель происходит останов привода, если же этого не случается, третий выключатель подает сигнал об аварийном отключении питания всего станка. ИП29 служит для установки рабочего органа в 0 станка.

5. Управление приводом Ось С.

Управление приводом Ось С.При поступлении управляющего сигнала с устройства ЧПУ (Сзад) происходит включение синхронного двигателя, который передает вращающееся перемещение рабочему органу – делителю.

(разжим) стола осуществляется от ГЦ7.Обратная связь по положения с помощью датчика кругового перемещения RGH20. ИП34 служит для установки рабочего органа в 0 станка.

3.2.2 Логическая задача

Развитие логической задачи явилось следствием автоматизации на станке вспомогательной операции: зажим-разжим, подвод-отвод, переключение, пуск-стоп, автоматическая смена инструмента и т. д. Именно многообразие составляет специфику логической задачи, и оно заключается в большом количестве обменных сигналов (их число измеряется десятками) между УЧПУ и станком.

Под системой цикловой автоматики понимают систему автоматического управления механизмами и группами механизмов, поведение которых определяется множеством параллельных и последовательных операций. Отдельные операции осуществляются электрическим управляющими сигналами, а условные смены операций формируются под влиянием так называемых осведомительных сигналов, поступающих от станка.

Все сложные циклические процессы, выполненные на станке с ЧПУ, можно представить в виде циклов автоматики.

Циклом автоматики станка с ЧПУ называют последовательность действий, вызываемых по имени одним из 3-х следующих слов кадра УП «Скорость главного движения » , «Функция инструмента » , «Вспомогательная функция » .

Цикл автоматики состоит из операций, причем под операцией можно понимать любое независимое действие отдельного механизма, включаемое одним двигателем, инициируемое самостоятельным управляющим сигналом, подтверждаемое осведомительным сигналом.

Выполняет следующие функции:

Управление приводом главного движения. Управление предусматривает включение и выключение привода М03, М05, выбор направления М04, стабилизацию заданной скорости, стабилизация заданного положения,

Автоматическая смена инструмента.

Цикл смены инструмента.

Началом цикла смены инструмента является сигнал СЧПУ «Т15 » . По сигналу производится отвод шпиндельной бабки в точку смену инструмента – точку «N » . В конце хода по замыканию концевого выключателя формируется сигнал №43.

Сигнал 43 является началом для осуществления включения электромагнита ЭМ4 на золотнике пневмосистемы, отвечающего за блок системы автоматической смены инструмента, так как используется одна общая пневмносистема, после срабатывания золотника формируется сигнал 44 на концевом выключателе.

Сигнал 44 является началом для срабатывания электромагнита ЭМ5 на золотнике, отвечающего за открытие/закрытие крышки в магазине инструментов, после срабатывания золотника формируется сигнал 45 на конечном выключателе. Сигнал 51 снимает сигналы 43 и 44 и закрывает крышку магазина.

Сигнал №45 является началом для срабатывания двигателя на инструментальном магазине для поиска нужной ячейки, в которой находится требуемый инструмент. После окончания поиска формируется сигнал 46 на датчике, который находится в ячейке инструментального магазина и который в свою очередь является конечным сигналом для двигателя магазина.

Сигнал М06 запускает двигатель перемещения шпиндельной бабки по оси ОХ к точке смены инструмента. Окончание процесса формирует сигнал №47, который выдает конечный выключатель. Сигнал 51 является сигналом для обратного движения шпиндельной бабки.

По сигналу №47 производится наезд шпинделя на оправку нового инструмента, по его окончании формируется сигнал 48 на конечном выключателе.

Сигнал №48 является началом для срабатывания электромагнита ЭМ6 на золотнике гидросистемы, отвечающего за блок системы автоматической смены инструмента, после срабатывания золотника формируется сигнал 49 на конечном выключателе. Сигнал 49 является началом для срабатывания электромагнита ЭМ7 на золотнике, отвечающего за перемещение цанги, которая осуществляет зажим/разжим, после срабатывания золотника формируется сигнал 50, который формирует конечный сигнал, который показывает, что произошел зажим инструмента и электромагнит ЭМ7 отключается.

3. Автоматическая смена заготовок (столов-спутников).

Цикл смены заготовок.

Представлен на листе «Функциональная схема »

4. Вспомогательные функции М

М00- Программный останов.

М01- Условный останов.

М02- Конец программы.

М03- Конец программы.

М98- Вызов подпрограммы.

М99- Конец подпрограммы.

Транспортирование стружки, подача СОЖ, гидростанция, пневмостанция, подача смазки.

Транспортирование стружки осуществляется от нерегулируемого электродвигателя М6; подача СОЖ - от М9, гидростанция – от М7, пневмостанция – от М11, подача смазки – от М8.

Станция охлаждения мотор – шпинделя, приводов подач.

Подачу воды к мотору – шпинделю, приводов подач осуществляет нерегулируемый электродвигатель М10.

Управление фиксации делителя (Ось В) и стола (Ось С).

Осуществляется при помощи гидроцилиндров ГЦ6, ГЦ7, на электромагниты ЭМ1, ЭМ2 которых поступают сигналы 67-70.

Управление механизмом открытии/закрытии дверцы станка

3.2.3 Технологическая задача

Осуществляется лишь в тех случаях, когда основной рабочий процесс сам становится объектом управления в целях его поддержания либо оптимизации.

Выполняет следующие функции:

Адаптивное управление механообработкой.

Адаптация осуществляется изменением контурной скорости и скорости привода главного движения. Необходимая информация, получаемая от дополнительно установленных датчиков – момента сопротивления, мощности привода главного движения, вибраций, температуры и т. д.

Реализация активного контроля

Применение специальных измерительных щупов.

3. Накопление статической информации

К нему относятся фиксация текущего времени и времени работы, определение коэффициентов загрузки оборудования, учет информации и т. д

Выбранная СЧПУ осуществляет реализацию активного контроля при помощи специальных измерительных щупов

Датчики касания Renishaw могут использоваться на обрабатывающих центрах и фрезерных станках с ЧПУ для привязки заготовки и измерения детали в процессе ее изготовления.

На станке присутствует система измерения точности обработки заготовок - контактный щуп RP3 фирмы Renishaw.

Привязка детали к системе координат станка

Контактные измерения позволяют отказаться от использования дорогостоящих зажимных приспособлений и длительной процедуры выставления заготовки относительно осей станка вручную с помощью циферблатных индикаторов. Устанавливаемые в шпиндель обрабатывающих центров датчики касания обеспечивают следующие преимущества:

- сокращение простоя станка;

- автоматизацию крепления заготовки, ее выравнивания по отношению к осям станка и корректировки углового положения поворотной оси;

- отсутствие ошибок, связанных с неточными действиями оператора;

- снижение объема брака;

- повышение производительности и универсальность по отношению к объему серии обрабатываемых деталей.

Измерение детали

Устанавливаемые в шпиндель датчики касания могут применяться для измерения размеров заготовки в процессе ее обработки и для контроля первой обработанной после переналадки станка детали, в то время как успешное использование ручных измерительных приспособлений зависит от навыков оператора, а перенос детали со станка на КИМ не всегда целесообразен.

Преимущества:

- измерение детали в процессе ее изготовления с автоматическим вводом необходимой коррекции;

- уверенность в отсутствии сбоев при автоматической обработке;

- проверка размеров первой обработанной детали при переходе на новую партию деталей с последующим автоматическим вводом коррекции;

- уменьшение времени простоя станка, связанного с ожиданием результатов проверки первой детали.

Для контроля температуры подшипников шпинделя и аксиального смещения вала шпинделя используются датчики ИП 40 (PT100), ИП41.

3.2.4 Терминальная задача

Поддерживается УЧПУ персональным компьютером.

Диалог с оператором охватывает управление станком и самим устройством ЧПУ в различных режимах, различные операции с УП, некоторые действия системного характера. Информационный обмен с ЭВМ необходим в интегрированной пространственно распределенной системе управления, имеющей признаки локальной управляющей сети. По поводу этой задачи можно заметить следующее:

УЧПУ первоначально создавалась как проблемно-ориентированная машина, работающая в режиме реального времени. Однако по мере увеличения активной роли оператора в управлении все более увеличивался удельный вес интерактивных процедур и связанных с ними процессов. Постепенно формировался достаточно автономный круг задач, решение которых не требовало специализированной аппаратуры ЧПУ, но вполне могло быть выполнение на основе взаимодействия оператора с универсальными аппаратно-программными средствами. Терминальная задача выявилась столь определенно, что термин УЧПУ все чаще становился самостоятельной конструкцией. Так пульт оператора выполнен в виде универсальной консоли (пассивный терминал), подключенный к системе УЧПУ, в состав которой входят специальная часть системы управления и универсальный персональный компьютер (активный терминал) с необходимым комплексом периферийных устройств.

3.2.5 Диагностическая задача

Одним из типовых режимов работы УЧПУ является диагностический контроль, проводимый на стадиях подготовки к выполнению задач. Диагностические средства УЧПУ преследуют три главные функции:

- контроль исправности аппаратных средств

- контроль сохранности системного ПО (проверка памяти как аппарата)

-контроль за правильным протеканием процесса управления с целью предотвращения аварий.