Многофункциональный Обрабатывающий Центр

В машиностроении различают модули технологические и конструкционные.

Технологический модуль - это «технологическая структурная единица компоновки» или наименьший состав блоков компоновки станка, необходимых для выполнения операций «формообразования». Конструкционный модуль является единицей унификации станка. Под конструкционным модулем понимают функционально и конструктивно независимую единицу, которую можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями.

В ряде случаев при структурном анализе гибких производственных систем (ГПС) термин «технологический модуль» понимается более широко - как структурный элемент автоматической линии, который может включать станок, загрузочно-разгрузочное устройство, контрольно-измерительные приборы и т.д.

Многие зарубежные станкостроительные фирмы используют модульный принцип при создании большого многообразия компоновок многофункциональных обрабатывающих центров. При этом модульная система состоит из двух взаимосвязанных частей. Основная часть этой системы относится к материальному обеспечению станка, включающему определенную номенклатуру несущих, исполнительных, приводных, управляющих и других модулей. Другой важной частью является логическое обеспечение, представляющее совокупность правил, согласно которым производится определение компоновок многофункциональных обрабатывающих центров с ЧПУ, их технических характеристик, а также набора модулей для построения станков с данными характеристиками. Таким образом, модульная система обрабатывающих центров - совокупность унифицированных узлов для построения станков и логического обеспечения, осуществляющего связь между входными (параметры обрабатываемых заготовок и условия производства) и выходными (параметры станков) характеристиками.

Существенными признаками, по которым классифицируют модульные системы многофункциональных обрабатывающих центров, являются характеристиками унифицированных узлов (по составу, размерам, точности), так как именно этими характеристиками определяются технологические возможности системы. Качественная сторона модульной системы оценивается уровнем технологической приспособляемости системы к производственным задачам. По этому признаку модульные системы разделены на четыре уровня (табл. на рис. 1).

Рис. 1. Классификация модульных систем станков

Модульные системы первого уровня позволяют создавать станки для обработки геометрически подобных заготовок разных размеров. В основу построения станков принят блочный принцип; в состав каждого блока входит одновременно несколько модулей.

Системы второго уровня позволяют создавать оборудование для комплексной обработки деталей одного типа, различающихся не только размерами, но и числом обрабатываемых Поверхностей и их относительным расположением. Так, фирма «Керней Трекер» (США) выпускает серию станков Моду-Лине с ЧПУ, в которой за базовые модели выбраны две компоновки станков. Из комплекта модулей этой серии, включающего подвижные стойки с варьируемым перемещением по оси Y и столы подвижные по оси X четырех исполнений, можно скомпоновать 41 вариант станков. Обрабатывающие центры оснащают устройствами смены инструмента с вместимостью инструментальных магазинов на 29, 39, 49 или 59 инструментов. Эти же обрабатывающие центры могут быть оснащены также устройствами смены заготовок. Предусмотрены исполнения фрезерных центров с ЧПУ для обработки крупных и длинных заготовок.

Модульная система «Серия-80» (США) позволяет получить около ста вариантов многофункциональных обрабатывающих центров с тремя, четырьмя и пятью управляемыми координатами. Основой здесь также являются две базовые компоновки. На рис. 2 показана модульная система, для которой базовой компоновкой является обрабатывающий центр с подвижными стойкой и столом.

Рис. 2. Модульная система многофункциональных обрабатывающих центров «Серия-80»

Эта модульная система дополнена по сравнению с комплектом «Моду-Лине» шпиндельными бабками трех типов: с горизонтальным шпинделем; с двухпозиционной головкой, в которой шпиндель занимает горизонтальное или вертикальное положение; с поворотной головкой, в которой шпиндель может занимать любое промежуточное положение в пределах угла 120°. Бабка с горизонтально расположенным шпинделем имеет модификации: с фиксированным вылетом и выдвижными шпинделями. Мощность привода шпиндельных бабок 18,5 и 30 кВт. Система автоматической смены инструмента включает инструментальные магазины цепного исполнения вместимостью 12, 60 или 90 инструментов. Возможные варианты исполнения шпиндельных бабок, рабочих столов, автоматической смены инструмента и автоматической смены заготовок позволяют реализовать практически все случаи обработки корпусных деталей.

Требованиям второго уровня модульной системы (рис. 3) отвечает система «Овер» (Италия). Особенность компоновки станков, созданных на основе этой системы, выражается наличием универсального поворотного двухпозиционного шпинделя.

Рис. 3. Компоновка многофункционального обрабатывающего центра системы «Овер»

Модульные системы третьего уровня предусматривают создание станков с различным уровнем автоматизации. Система Фѕ50 фирмы «Шип Ниппон Коки», кроме исполнения станков по расположению шпинделя (горизонтального или вертикального), имеет несколько уровней автоматизации (с устройством АСИ или без него) и систем управления (с ЧПУ или копировальным устройством).

Система «Екокут-2» (рис. 4) предназначена для построения серии горизонтально-расточных станков, в том числе обрабатывающих центров; представляет особый интерес с точки зрения разработки и применения автоматизированной системы выбора оборудования станков в зависимости от технологических задач потребителя.

В соответствии с заданием станки поставляются с различным уровнем автоматизации: с цифровой индикацией, ЧПУ, ЧПУ и устройством автоматической смены инструмента и (или) устройством автоматической смены заготовок. Используется программы для разработки предложений по технологии обработки корпусных деталей и осуществляются предварительные расчеты по времени их обработки.

Модульные системы четвертого уровня предназначены для формирования станков и комплексно-автоматизированных участков, работающих в различных условиях производства. Модульная система «Трансфер-Центр» (ФРГ) состоит из узлов двух основных групп подвижных стоек различных размеров и подвижных столов с встроенными в них поворотно-делительными столами. В систему входят также инструментальные магазины для единичного инструмента, магазины для многошпиндельных головок, устройства автоматической смены инструмента и автоматической смены заготовок. Для мелкосерийного производства многофункциональных обрабатывающие центры получают путем оснащения его устройством смены инструмента и ЧПУ. Повышение степени специализации станка, т.е. оснащение складов многошпиндельными головками и устройствами для их смены, делает эффективным его использование в серийном производстве.

Рис. 4. Варианты компоновок модульной системы станков «Екокут-2»

Фирмой «Хюллер-Хилле» (ФРГ) разработана модульная система (рис. 5), которая представляет собой комплект модулей различного функционального назначения: базовые модули, одно- и многошпиндельные бабки с горизонтальным и вертикальным расположением шпинделя, устройства смены инструмента и заготовок, а также магазины многошпиндельных головок. Взаимная комбинация этих модулей обеспечивает получение обрабатывающим центром различного целевого назначения для применения в единичном и серийном производстве.

Рис. 5. Модульная система многофункциональных обрабатывающих центров фирмы «Хюллер-Хилле»

Модульная система фирмы «Ямазаки» (рис. 6) была спроектирована как универсальная обрабатывающая система для работы в условиях постоянно меняющихся потребностей производства, таких как номенклатура изделий и серийность, конструкция и материал обрабатываемых деталей. Модульное построение позволяет расширить производственные мощности обрабатывающего участка путем изменения числа одновременно действующих станков. Для установки и закрепления заготовок служат простые, поворотные и универсальные столы, а также поворотный стол, перемещающийся вдоль оси Z.

Рис. 6. Модульная система центров «Мазак»

В номенклатуру приспособлений входят плиты, угольники и другие узлы для базирования и закрепления деталей. Компоновка секции обеспечивает жесткую установку заготовок без ограничения их массы и размеров, поскольку столы монтируют на фундаменте. Для обработки заготовок предусмотрен набор узлов, включающий два типа станин (с двумя и тремя направляющими), три типа стоек, шпиндельные бабки и салазки. Причем станины состоят из отдельных секций, и при необходимости длина станины может быть увеличена путем добавления секций.

Предусмотрены также шпиндельные бабки с приводом главного движения мощностью 11 и 22 кВт, имеющие низкую, среднюю или высокую частоту вращения шпинделя. Для размещения инструментов диаметров до 100 мм (при полной загрузке инструментальных магазинов) используют дисковые инструментальные магазины, которые подаются от накопителя к станкам и обратно по конвейеру. Для хранения предварительно настроенных резцовых блоков, протяжных головок, длинных расточных оправок, многошпиндельных головок, торцовых фрез большого диаметра используют дополнительные стеллажи, откуда инструмент устанавливается в шпиндель станка.

Таким образом, можно выделить основные положения, характеризующие модульный принцип проектирования и изготовления модульных обрабатывающих центров с ЧПУ:

• модуль - это конструктивно и функционально законченная единица, являющаяся составной частью общей системы станков;
• модули характеризуются наименьшим возможным числом связей для присоединения к ним новых модулей (присоединительные элементы должны быть унифицированными);
• ограниченная номенклатура модулей должна обеспечивать множество различных компоновок станков путем многообразия сочетаний и положений модулей;
• модульный принцип проектирования станков наиболее полно отвечает требованиям решения конкретной технологической задачи (созданные на модульном принципе станки не обладают избыточными функциями, и поэтому они должны быть экономичнее станков с универсальными возможностями);
• сокращается время и трудоемкость проектирования станков, поскольку модульный принцип позволяет более полно использовать выполненные ранее разработки;
• увеличивается надежность работы станка за счет отработанности входящих в нее модулей и наибольшего соответствия данной конструкции модулей выполняемой задаче;
• уменьшение разнообразия конструкций модулей и составляющих их элементов улучшает условия эксплуатации и ремонтопригодность;
• модульное проектирование позволяет создавать новое высокопроизводительное оборудование для выполнения наилучшим образом обработки заготовок, а не подгонять процесс под возможности уже имеющегося оборудования;
• модульный принцип дает реальную возможность заменить устаревшие форму и методы проектирования новых конструкций станков и их систем.

Предположим, что содержание таблицы - Применяемость обрабатывающих центров (см. Зависимость размера детали и обрабатывающего центра, рис. 7) отображает в формализованном виде ту часть технического задания на создание станков, которая описывает совокупность деталей, подлежащих механической обработке с параметром Вд < 500 мм. Согласно статистическому анализу по применяемости многофункциональных обрабатывающих центров, именно эта размерная область станков характеризуется многообразием компоновочных решений.

Рассмотрим технологические возможности станков, предварительно разбив их на станки, не имеющие координатных перемещений (вариант 1); станки, у которых число координатных перемещений менее трех (варианты 2, 3, 6, 8, 10, 16, 21, 23); станки с дублирующими движениями (варианты 9, 12, 13, 14, 15, 17, 19, 22, 25) и станки с тремя координатными перемещениями (4, 7, 11, 18).

Первая группа станков, имеющая только вращательное движение шпинделя, не может, вероятно, найти применение в промышленности. Вторая группа станков по своим возможностям близка к специальным агрегатным станкам, которые широко используют в крупносерийном и массовом производствах. Избыточность координатных перемещений станков третьей группы в общем случае не расширяет их технологические возможности, а лишь ухудшает качество станков, и поэтому в дальнейшем они не будут рассматриваться. Последняя группа станков (см. Компоновка фрезерного станка с ЧПУ, рис. 6) может быть отнесена к классу обрабатывающих центров. В самом деле, варианты 4, 18 (структурные формулы соответственно 0XYZCv, ХҮ0ZCv) могут быть использованы для односторонней обработки деталей, УФД которых Пд, Бд. Варианты 7, 11 при развороте на 90° установочной части по отношению к силовой могут обеспечить обработку деталей Кд с четырех сторон (структурные формулы соответственно AY0XZCh, AYZX0Ch).

Таким образом, выбранный комплект модулей практически может обеспечить при сборке лишь четыре компоновки многофункциональных обрабатывающих центров. Заметим, что рассмотренный комплект модулей был реально создан на основе разработанных сначала конструкторами вариантов 4, 7 и 18, которые затем были разбиты на узлы и «подгонялись» по присоединительным местам - подвижным и неподвижным стыкам так, чтобы обеспечить при сборке выбранные ранее компоновки станков. Так практически формируются в настоящее время комплекты модулей, в том числе и агрегатных станков.

Рассмотрим, за счет чего можно увеличить число компоновок обрабатывающих центров, помня, что комплект должен быть минимальным. Если сравнить структурные формулы станков с содержанием таблицы (см. Зависимость размера детали и обрабатывающего центра, рис. 7), то можно установить, что выбранный комплект модулей не полностью соответствует требованиям технического задания. В частности, отсутствуют варианты обрабатывающих центров с горизонтальным расположением шпинделя, бабка которых перемещается по вертикальным направляющим стойки; не предусмотрен вариант многофункционального обрабатывающего центра с подвижной стойкой по одной координате; комплектом модулей не предусмотрен вариант установочной части станка с крестово-подвижным и поворотным столом и отсутствует возможность обработки корпусных деталей с пяти сторон. Для получения обрабатывающих центров с горизонтальным шпинделем необходимо ввести новый модуль (позиция 9, рис. 7) - шпиндельную бабку, сохранив при этом связи каретки 2 со стойкой 3. Для обеспечения движения стойки по одной координате нужно осуществить подвижную часть между стойкой 3 и станиной крестового стола 7 путем введения модуля каретки 10 (см. рис. 7). Далее следует предусмотреть возможность соединения поворотного стола 6 с верхней поверхностью крестовых салазок 7 и ввести дополнительный модуль 11 (см. рис. 7) - универсальный поворотный стол, обеспечивающий обработку деталей с пяти сторон за счет поворота планшайбы вокруг оси 2 и наклона ее относительно оси Х или Y (в зависимости от расположения шпинделя станка (горизонтального или вертикального).

Рис. 7. Граф G2 дополнительного комплекта модулей: 1 - шпиндельная бабка (вертикальный вариант); 2 - каретка; 3 - вертикальная стойка; 4 - станина; 5 - основание; 6 - поворотный стол; 7 - станина крестового стола; 8 - каретка крестового стола; 9 - шпиндельная бабка (горизонтальный вариант); 10 - дополнительная каретка; 11 - универсальный поворотно-наклонный стол

Таким образом, число возможных вариантов станков возросло, но произошло также увеличение номенклатуры модулей и, если сравнить графы G1 и G, некоторое усложнение связей между модулями. Для упрощения связей и сокращения нового комплекта модулей можно предложить следующее: предусмотреть возможность обеспечения неподвижного соединения нижней части стойки (модуль 3) на каретке (модуль 2) и верхних салазках (модуль 8) в двух положениях системы координат X0Y (см. Зависимость размера детали и обрабатывающего центра, рис. 7) поскольку функционально модули 2 и 10 (см. рис. 7) одинаковы, то придание им единых конструктивных решений позволяет считать модуль 2 как основной, и, кроме того, можно поставить задачу конструкторам - обеспечить использование модуля 2 в качестве верхней каретки модуля 8; целесообразно с точки зрения унификации корпусов шпиндельную бабку представить как единую для двух исполнений по расположению шпинделя.

Рис. 8. Модернизированный вариант комплекта модулей всего состава модулей G3, силовой G3.1 и установочной G3.2 частей многофункционального обрабатывающего центра

В этом случае граф связности G3 и подграфы силовой G3.1 и установочной G3.2, частей станка будут иметь вид, показанный на рис. 8. В подграфах G3.1 и G3.2 имеются циклы, которые затрудняют поиск путей в графе G3. Для исключения цикла в графе введем фиктивный модуль 2 (рис. 9), который по своей сути аналогичен модулю 2 и отражает одну из возможных связей стойки с кареткой. Модули 1, 3 также могут стыковаться в двух вариантах, и хотя в данном случае цикла нет, для удобства также введем фиктивную связь 1', 3'.

Рис. 9. Модернизированный вариант комплекта модулей с фиктивными связями

Таким образом, найдя все пути между начальными и конечными вершинами подграфов, выделим комплекты модулей силовых (рис. 10) и установочных (табл. 11) частей станка. Их комбинации дают 176 вариантов компоновок станков, из которых 16 (табл. 12) можно рассматривать как многофункциональные обрабатывающие центры, предназначенные для решения тех технологических задач, которые отображены в формализованной записи (см. Зависимость размера детали и обрабатывающего центра, рис. 7).

Рис. 10. Комплекты силовых модулей обрабатывающих центров

Таким образом, если конструктивно обеспечиваются заданные графом G3 связи, то можно считать задачу поиска рационального состава модулей для данного варианта технологической задачи выполненной.

Рис. 11. Комплекты установочных модулей многофункциональных обрабатывающих центров

При расширении номенклатуры модулей за счет иных исполнений, а также с учетом различных их размерных вариантов Модульная система может существенно изменить число возможных сочетаний силовой и установочной частей в многофункциональных обрабатывающих центрах, и в этом случае трудоемкость выполнения анализа возрастает. В подобных ситуациях целесообразно использовать возможности электронные вычисления.

Рис. 12. Варианты компоновок обрабатывающих центров