АННОТАЦИЯ

Расчетно-пояснительная записка содержит листа формата А4, включает в себя 146 страниц, 17 таблиц, 50 рисунков, 17 литературных источников.

В дипломной работе рассмотрены вопросы проектирования и расчета гибкого производственного модуля (ГПМ), построенного на базе 5-х координатного многоцелевого станка класса точности «П» с числовым программным управлением (ЧПУ), для изготовления детали общего машиностроения.

Проработана конструкция основных узлов ГПМ: шпиндельный узел, привод подач (оси Х), инструментальный магазин. Их сборочные чертежи представлены в графической части проекта. Произведен ряд расчетов основных параметров конструкций.

В технологической части проекта представлены: чертеж типовой детали – корпуса, эскизы переходов обработки детали. В расчетно-пояснительной записке приведен расчет режимов обработки детали.

В исследовательской части приведен проектирование и расчет несущей системы станка с ЧПУ. Проведен расчет статических и динамических характеристик несущей системы станков с ЧПУ в ANSYS.

В организационно-экономической части приведен планирование и расчет затрат, требуемых на модернизацию существующего технологического оборудования, и обоснование экономической эффективности его внедрения.

В разделе «Охрана труда» проведен анализ выбранного рабочего места и установлено, источником каких факторов является данный объект. Проведен анализ фактора освещенности, проведена оценка освещенности в существующем рабочем месте; установлена норма освещенности, необходимая для проведения обработки на станке. В разделе «Охрана окружающей среды» проведен анализ воздействия на окружающую среду при работе на многоцелевом станке с ЧПУ и проведен расчет систем очистки сточных вод от механических примесей.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время большинство машиностроительных и приборостроительных предприятий выпускают продукцию небольшими сериями или в виде единичных изделий. Поэтому для осуществления в широких масштабах автоматизации в машиностроении нужны автоматизированные, производительные станки способные работать и давать максимальную отдачу в условиях мелкосерийного и единичного производства. Подобные станки должны обладать универсальностью станков с ручным управлением и иметь надежную систему автоматического управления, которая позволяет перестраивать технологический процесс при переходе от обработки одной детали к другой с минимальными затратами.

Один из выходов из данной ситуации – это использование многоцелевой станок с ЧПУ с числовым программным управлением и автоматической сменой инструмента. Наибольший эффект, при обработке деталей на данных станках, получается при обработке корпусных деталей, которые имеют сложные криволинейные поверхности, отверстия, в том числе с резьбой пазы и канавки и т.п. Станки этого типа способны обеспечивать высокую точность и чистоту обрабатываемой поверхности.

Широкое применение многоцелевых станков с ЧПУ обосновано тем, что они позволяют осуществлять обработку корпусных деталей средней и повышенной сложности, а также могут быть использованы для обработки различных фланцев, деталей цилиндрической формы, имеющих различного рода выточки, пазы, отверстия, скосы и т.д. Круг обрабатываемых материалов очень широк. Мощные привода подач и главного движения дают возможность подобрать оптимальный режим обработки той или иной детали.

1. Обзор и анализ узлов базового станка

1.1. Анализ компоновочного решения

Объектом проектирования является ГПМ построенный на базе многоцелевого 5-х координатного станка с ЧПУ для обработки корпусных деталей размеров 400х300х300 мм по 7 квалитету точности с шероховатости 1,25, имеющих сложные поверхности, требующих проведения линейной интерполяции по 3-м координатам X, Y, Z и круговой интерполяции по 2-м координатам Y, Z.

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 «корпус», т.к. оборудование с ЧПУ используется для обработки большой номенклатуры деталей.

Для обработки на станке корпусных деталей средних размеров с 5-х сторон без переустановок необходим наклонно-поворотный стол. Переход на новую номенклатуру деталей производиться сменой управляющих программ.

С целью увеличения производительности базовый вариант станка должен быть оснащен автоматической системой смены столов спутников. Основными критериями выбора компоновки системы смены столов спутников являются скорость смены спутников, компактность и вместимость накопителя столов спутников. Для повышения степени автоматизации процесса обработки и для перехода к безлюдному производству требуются эффективные решения, позволяющие автоматический вызов и накопление палет с заготовками. Системы идентификации паллеты позволяют однозначное определение и быстрый вызов программы обработки. Перегрузочные устройство у накопителя служит для переналадки заготовок и введения их в цикл автоматической обработки.

Существует много видов компоновок инструментального магазина – горизонтальная и вертикальная, консольное подвижное и статичное положение, круговое расположение инструмента или стеллажное, с использованием манипулятора и без него. Выбираем инструментальный магазин барабанного типа с манипулятором.

1.2. Анализ конструкции

Шпиндельный узел

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

В качестве опор используются пара шариковых подшипников с угловым контактом. Подшипники предварительно нагружены для восприятия как осевых, так и радиальных нагрузок. Недостатками конструкции является необходимость высокой точности изготовления, регулировка предварительного натяга, изменение рабочего натяга в процессе эксплуатации, быстрое изнашивание.

Привод подач

Для обеспечения перемещения стола и салазок станка используется высокомоментный электродвигатель постоянного тока с встроенным тормозом. Он имеет не достаточно высокие динамические характеристики и обеспечивает не высокую скорость перемещения рабочего органа. 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 90 000 мм/мин.

Подшипники предварительно нагружены для восприятия как осевых, так и радиальных нагрузок. Недостатком конструкции являются необходимость высокой точности изготовления, регулировка предварительного натяга, изменение рабочего натяга в процессе эксплуатации, быстрое изнашивание. В связи с этим оправдано применение комбинированного подшипника. Он обеспечивает более высокую точность и радиальную жесткость.

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

Наклонно-поворотные столы

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 наклонно-поворотного стола – +/-100^о.

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

Система смены инструмента

Для такого станка используют механизмы смены инструментов вертикальных станков типа рука с инструментальным магазином барабанного типа. Поворот магазина осуществляется с помощью гидромотора. Вращение от гидромотора через муфту передается на вал, от него вращение передается на корпус магазина.

Для поиска нужного инструмента в магазине используется электронная система кодирования самих хвостовиков с инструментом. Инструменты в этом случае могут устанавливаться в любой последовательности и в любое место магазина. В качестве носителя кода используется микроэлемент, функционирующий как запоминающее устройство и не требующий никакого.

Система смены столов-спутников

Присутствует две фазы: загрузка на станок стола-спутника с заготовкой и замена стола-спутника с обработанной деталью на стол со следующей заготовкой.

Устройство смены столов представляет из себя подъемно-вращательное устройство, посредством которого происходит смена столов спутников за короткое время - 5 секунд при максимальной загрузке.

2.Обзор и анализ номенклатуры типовых обрабатываемых деталей

2.1. Обзор обрабатываемых зон типовых деталей

Проектируемый ГПМ предназначен для обработки корпусных деталей. Примером типовой детали является корпус.

Рисунок 2.1. Корпус в сборе

Виды интерполяции, необходимые для получения каждой зоны:

1. Линейная интерполяция по одной из осей X, Y, Z

: 1, 2, 3, 6, 13

: 7, 9, 10, 16, 19, 21

: 8, 22, 24

1. Линейная интерполяция по двум осям одновременно

: 23

: 17, 18

1. Круговая интерполяция в плоскости OXY

: 10, 11, 12

1. Круговая интерполяция в плоскости OYZ

: 4, 5, 15

1. Обработки с использованием оси C

Формообразование: 8, 24

1. Обработки с использованием оси B

Позиционирование: 14, 16, 17

Для зон 6, 24 требуются концевая фреза диаметром соответствующие 25мм и 60 мм.

Для зон 2, 3, 22 требуются сверло диаметром соответствующие 19мм и 30мм и 19 мм.

Для зон 2, 22 требуются метчик диаметром 20мм.

Для зон 4, 10, 11, 14, 18, 19, 20, 21 требуются концевая фреза и торцевая фреза диаметром соответствующие 62, 40, 80, 50, 50, 28, 50, 20 мм.

Для зон 7, 12, 13, 15, 16, 17 требуются концевая фреза диаметром соответствующие 40, 20, 40, 40, 25, 28 мм.

В итоге получаем, что минимальное число инструментов в инструментальном магазине должно быть не менее 30 шт.

2.2.Требования, выполняемые системой ЧПУ

Для расширения технологических возможностей проектируемого ГПМ приведем еще две детали, имеющие поверхности, для обработки которых требуются другие сочетания рабочих движений.

Рисунок 2.2. Фланец, корпус 2

На основании проведенного анализа зон обработки можно сформулировать следующие требования к системе ЧПУ:

1. Черновая, получистовая и чистовая обработка зон (1-4, 6-10, 13, 14, 16-24, 28) при использовании линейной интерполяции по координатам X, Y, Z от 1 до 3 одновременно.
2. Черновая, получистовая и чистовая обработка зон (5, 10-12, 15, 23) при использовании круговой интерполяции в трех плоскостях: OXY – поверхность 10, 11, 12, OXZ – поверхность 23, OYZ – поверхность 5
3. Черновая, получистовая и чистовая обработки зон (8, 24, 26) при использовании оси C.
   • Позиционирование: 26
   • Формообразование: 8, 24
     1. Черновая, получистовая и чистовая обработки зон (14, 16, 17) при использовании оси В.
        • Позиционирование: 14, 16, 17

5 одновременно управляемых координат.

Для обработки данных деталей от рабочих органов станка и системы ЧПУ требуется:

• управление вращением шпинделя станка (осуществление процесса резания);
• управление вертикальным перемещением шпиндельной бабки (ось Z);
• управление продольным перемещением (ось Х);
• управление поперечным перемещением (ось Y);
• управление поворотом план-шайбы по координате C.
• управление поворотом наклонного стола по координате B.

Для обработки данной корпусной детали станок для осуществления главного движения должен иметь шпиндель вертикальной компоновки с регулируемым приводом. Для обработки на станке корпусных деталей средних и малых размеров с 4-х сторон без переустановок необходим поворотная план-шайба (Ось С). Для обеспечения возможности обработки с помощью одновременно пяти управляемых координат необходим поворот наклонного стола (Ось B). На многоцелевом станке с вертикальным шпинделем может производиться получистовое и чистовое фрезерование деталей концевыми, торцевыми и дисковыми фрезами, а также растачивание, сверление, зенкерование, развертывание и нарезание резьбы.

На многоцелевом станке с вертикальным шпинделем может производиться получистовое и чистовое фрезерование деталей концевыми, торцевыми и дисковыми фрезами, а также растачивание, сверление, зенкерование, развертывание и нарезание резьбы.

Наличие на станке ЧПУ дает возможность реализовать программы обработки деталей с практически неограниченным количеством различных операций. Переход на новую номенклатуру деталей производиться сменой управляющих программ.

В связи с наличием отверстий различных диаметров и способов их обработки в инструментальном магазине предусмотрены 30 позиции.

Режимы обработки детали колеблются в широком диапазоне, т.к. необходима и предварительная обработка с большими усилиями резания, и чистовая с высокими скоростями резания. Кроме того, также может быть широка номенклатура обрабатываемых материалов. От станка требуется обеспечение 7-го квалитета точности и 7-го класса шероховатости (Ra 1,25) обрабатываемых повершностей детали. Станок назначаем повышенной точности – «П», – что отображает технологические требования, предъявляемые как к обрабатываемым деталям, так и требования ко всем станкам с ЧПУ. Необходимые размеры рабочей зоны станка: 1000х700х1000 мм.

Вывод: СЧПУ должна управлять ГПМ на базе пятикоординатного многоцелевого фрезерного станка с ЧПУ.

2.3. Принципиальная схема проектируемого ГПМ

Поскольку обработка ведется большим количеством инструмента, а также в связи с наличием необходимости переустановки заготовки на станок, с целью экономии времени вводятся устройство смены столов спутников и смены инструмента.

Для обработки данных деталей станок для осуществления главного движения должен иметь шпиндель вертикальной компоновки. Для обработки с 5-ти сторон без переустановок необходим поворотная план-шайба (Ось C). Для обеспечения возможности обработки с помощью одновременно пяти управляемых координат необходим наклонно-поворот стола (Ось В). На многоцелевом станке с вертикальным шпинделем может производиться получистовое и чистовое фрезерование деталей концевыми, торцевыми и дисковыми фрезами, а также растачивание, сверление, зенкерование, развертывание и нарезание резьбы.

Компоновочное решение проектируемого ГПМ приведено на рис. 2.3.