Многооперационный обрабатывающий центр - это станок для комплексной обработки заготовок с числовым программным управлением и автоматической сменой инструментов. Термин «многооперационный станок» по существу противоречит понятию о технологической операции. В государственном стандарте Единой системы технологической документации ГОСТ 3. 1109-73 сказано, что технологическая операция (или просто операция) - это законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте. Поэтому, называя станок многооперационным, мы должны оговориться, что делаем это искусственно, условно, имея в виду, что один станок заменяет несколько обычных, каждый из которых выполнял свою операцию. Теперь все эти операции объединены (интегрированы) в одну операцию, выполняемую на одном высокопроизводительном станке.
Многим специалистам нравится название обрабатывающий центр (ОЦ). Многооперационные обрабатывающие центры с ЧПУ отличаются особо высокой концентрацией обработки. На них производят черновую, получистовую и чистовую обработку сложных корпусных заготовок, содержащих десятки обрабатываемых поверхностей, выполняют самые разнообразные технологические переходы: фрезерование плоскостей, уступов, канавок, окон, колодцев; сверление, зенкерование, развертывание, растачивание гладких и ступенчатых отверстий; растачивание отверстий инструментами с тонким регулированием на размер; обработку наружных и внутренних поверхностей и др.
Для осуществления этих операций на станке необходимо иметь большой запас металлорежущих инструментов. У станков с ЧПУ и автоматической сменой инструментов запас инструментов создается обычно в револьверных головках. Среди них фрезерные и сверлильные станки, предназначенные для изготовления главным образом таких корпусных и плоскостных деталей, для обработки которых достаточно иметь 5-10 различных инструментов. Многооперационные обрабатывающие центры имеют инструментальные магазины с запасом в 15-30, а при необходимости в 50-100 и более инструментов.
Еще одна важная особенность большинства обрабатывающих центров - наличие стола или делительного приспособления с периодическим или непрерывным (по программе) делением. Это обязательное условие для обработки заготовки с нескольких сторон без переустановки. Многооперационные обрабатывающие центры новых конструкций оснащают дополнительными столами и устройствами для автоматической смены заготовок. Заготовки предварительно закрепляют на приспособлении-спутнике, и вместе с ним они попадают с дополнительного стола на основной. Установку заготовки в спутник и снятие обработанной детали производят во время работы станка. Таким образом, вспомогательное время, затрачиваемое на загрузку - разгрузку станка, сводится к минимуму.
Многооперационные обрабатывающие центры имеют чаще всего контурную или универсальную систему управления, позволяющую обрабатывать разнообразные криволинейные поверхности, фрезеровать отверстия и т. д. Обрабатывающие центры отличаются широким диапазоном бесступенчатого регулирования частоты вращения шпинделя (заготовки) и подач, высокими (8-12 м/мин) скоростями быстрых (вспомогательных) ходов, особо высокой жесткостью и надежностью.
В связи с высокой стоимостью многооперационных обрабатывающих центров их используют для обработки наиболее технологически сложных заготовок. В этих случаях один обрабатывающий центр может заменить три - пять станков с ЧПУ или пять - десять универсальных станков.
К техническим характеристикам модулей установочной части многооперационного обрабатывающего центра с ЧПУ относят рациональный размерный ряд по параметру В, соотношения размеров рабочего пространства, координатные перемещения по осям X, Y, Z исполнительных органов станка и размеры, определяющие габариты рабочего стола и стойки. Эти характеристики определяют на основе исходной информации, описывающей соответствующие размерные характеристики обрабатываемых деталей.
Для начала необходимо произвести формирование исходной информации об обрабатываемых деталях. В качестве исходной информации для определения рациональной структуры парка многооперационных обрабатывающих центров по металлу необходимо иметь описание массива обрабатываемых деталей по определенным признакам. За генеральную совокупность исходной информации целесообразно принять совокупность корпусных деталей, обрабатываемых в основных цехах машиностроительных заводов на сверлильных, расточных, фрезерных и строгальных станках с шириной стола 250...2000 мм. Такая совокупность деталей необходима, поскольку для ее изучения используется выборочный метод (метод мгновенных наблюдений), заключающийся в установлении обобщенных характеристик генеральной совокупности путем изучения не всех, а только части составляющих ее элементов, достаточно хорошо отражающих пропорции и характерные черты генеральной совокупности.
Для выявления закономерностей распределения размерных и технологических параметров в качестве меры вероятности - события принято отношение трудоемкости изготовления (за фиксированный промежуток времени) деталей с анализируемым признаком к трудоемкости изготовления за тот же промежуток времени всех деталей изучаемой совокупности.
За единицу информации принята деталеоперация, количество которой равно числу обследованных станков. Если на разных станках будет зафиксировано несколько операций обработки одной детали, то этому количеству единиц будет равна весомость данной детали. При допущении, что трудоемкость детали пропорциональна станкоемкости ее обработки, принятый метод сбора информации позволяет получить выборку деталей, трудоемкость обработки которых пропорциональна трудоемкости обработки деталей, составляющих генеральную совокупность.
Предварительное число деталеопераций, по которому можно выявить статистические закономерности распределения исследования необходимых параметров, определяется по формуле
n>t2/(4є2),
где є - допустимая погрешность, принимаемая равной 0,05...0,1 в зависимости от требуемой точности расчета; t - предельное значение случайной величины, выраженное в единицах о, характеризующей область и надежность расчета.
По формуле можно определить минимальное число деталей для анализа тех параметров, которыми обладает каждая деталь (например, размер детали, ее марка, масса, наличие или отсутствие какого-либо признака). Требуется определить распределение и тех параметров, которыми обладают не все собранные детали, например, расстояние между осями отверстий, в то время когда не все детали имеют отверстия с параллельными осями и т.д. В этом случае формула принимает вид
n1>t2/(4є2α),
где α - доля деталей, обладающих данным признаком в общем количестве собранных деталеопераций.
Для є = 0,05 и t = 1,96, что соответствует вероятности получения ошибки, не превышающей допустимую, равной 5 %, n= 384 детали. Значение коэффициента а определяется следующим образом. Параметры многооперационного обрабатывающего центра с ЧПУ в определенной степени характеризуются точностью обработки отверстий, не соосно расположенных в обрабатываемых деталях.
Следовательно, максимальное значение αmax должно соответствовать доле расточных станков в общем количестве станков анализируемой группы (сверлильных, фрезерных и др.). По проведенным исследованиям, эти станки распределены в следующих пропорциях:
- сверлильные 53,7%;
- фрезерные 35%;
- расточные 8,6%;
- строгальные 2,7%.
Подобные детали могут обрабатываться на других станках, и поэтому αmax будет несколько занижена, но это только увеличит выборку деталей. Если принять α = αmax, то в этом случае должно быть собрано около 4500 деталей, обрабатываемых только на расточных станках. Поскольку точно неизвестно, какая доля деталей приходится на тот или иной признак, целесообразно интересующими нас признаками задаться. Например, можно принять, что половина зафиксированных при наблюдении деталей обрабатывается на расточных станках. Тогда
α = 0,5αmax = 0,5*0,086 = 0,043; n1 = 384/0,043 = 8930 шт.
Таким образом, полная выборка деталей должна составлять не менее 9000 шт. В момент обследования не на всех станках производится наладка станка на обработку заготовки. Учет обратной величины коэффициента использования станков по штучно-калькуляционному времени (в мелкосерийном производстве этот коэффициент не превышает 0,8) несколько увеличивает объем выборки и составляет 9000/0,8 = 11000 станков.
Для определения характеристик модулей воспользуемся данными об обрабатываемых деталях, собранных по вышеизложенной методике и приведенных на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Распределение деталей по размерам с учетом суммарной трудоемкости их обработки на фрезерных, сверлильных и расточных станках: а - корпусные; б – плоские; в - фигурные
Эти данные получены на основе анализа 16000 деталей, обрабатываемых на предприятиях десяти отраслей. Подробно, вычисления представлены в книге О.И. Аверьянова «Модульный принцип построения станков с ЧПУ».
В результате расчетов, на основе оптимальной структуры обрабатывающих центров устанавливается оптимальный ряд по основному параметру В. Приведение этого ряда к ряду предпочтительных чисел, принятых в станкостроении, строго говоря, не обеспечивает уже оптимальной структуры. В этом случае ряд предпочтительных чисел по основному параметру В будем считать рациональным.
Рис. 2. Распределение деталей с учетом суммарной трудоемкости их обработки на фрезерных, сверлильных и расточных станках по точности (а), материалам (б), массе (в) и числу обрабатываемых сторон (г) заготовки
Установление соотношений размеров рабочего пространства многооперационных обрабатывающих центров
На рис. 3 показаны поперечные сечения рабочего пространства многооперационных обрабатывающих центров. Размеры рабочего пространства станка выражены в долях α, β, γ ширины в рабочей поверхности стола и показаны во взаимосвязи с размерами Y и Z координатных перемещений исполнительных органов и с размерами инструментов. При установлении этих соотношений должны учитываться два случая: первый, когда автоматическая смена инструмента производится без дополнительного осевого установочного движения, и второй, когда для смены инструмента требуются дополнительные движения.
Рассмотрим оба случая для обрабатывающих центров вертикального и горизонтального исполнений. При вертикальном варианте компоновки обрабатывающего центра минимальный размер по высоте hmin обычно невелик и можно принять его равным минимальному размеру инструмента по длине һmin=lиmin. Высота рабочего пространства, выраженная через ширину стола, может быть представлена как үВ=Z-(lx.b+2∆). При установке деталей на стол станка высотой үВ длину обработки можно представить в виде разности lиmax - lиmin, которая наибольшее значение имеет при условии lиmax-lиmin=үB/2. Отсюда определяется наибольший размер по длине инструмента, который может быть автоматически заменен без дополнительных движений: lиmax=Z/2+lиmin-(lx.b+2∆)/2. Таким образом, установлена взаимосвязь между размерами үВ, lиmax и Z. Если для смены инструмента используют дополнительные перемещения, не входящие в величину, то получается, что үВ≈Z, а lиmax=0,52+lиmin
Рис. 3. Сечения рабочего пространства многооперационного обрабатывающего центра вертикального (а) и горизонтального (б)
При горизонтальном варианте компоновки многооперационных обрабатывающих центров величина hmin может не учитываться, а hmax=Y. Рабочее пространство смещено к краю стола; наибольшие длины инструмента размещены в зоне αB=Z-(tx.b+2∆), а наименьшие - в зоне βB=αβ-(lиmax - lиmin). Размер, связывающий осевое перемещение Z с серединой стола, с=B/2+lиmax-αB. При наличии дополнительного движения, не входящего в Z, автоматическая смена инструмента осуществляется за краем стола. Тогда αВ≈Z, а αВ и с определяют, как это было показано выше.
Статистический анализ показал, что для обрабатывающих центров наиболее употребительные значения принятых коэффициентов находятся в пределах αср=2/3, βср=1/2, γср=1. При проектировании модулей установочной части MC могут быть использованы результаты статистического анализа размеров стола В и L, величины координатных ходов X, Y, Z, различных соотношений этих размеров и связей между ними. Так, для вертикальных компоновок MC B=300...1250 мм, L = 750...2500 мм, а для горизонтальных В=300...1000 мм, L=700...2000 мм. Наиболее распространенные величины координатных ходов:
для вертикальных компоновок многооперационных обрабатывающих центров X=500...1600 мм, Y= 300...1000 мм, Z=250...1250 мм;
для горизонтальных многооперационных обрабатывающих центров X=550...1200 мм, Y=400...1250, Z=300...1250 мм.
Корреляция размеров наиболее выражена между величинами X и L, Y и В, причем коэффициенты корреляции в вертикальных компоновках имеют значения соответственно 0,76 и 0,86, а в горизонтальных 0,78 и 0,56. Средние величины отношений продольного хода по оси X к длине стола L в вертикальных компоновках составляют около 0,8, а в горизонтальных приблизительно 1.
На рис. 4 показан многооперационный станок 2623ПМФ4. В его конструкции нашли отражение последних достижений науки и техники в области станкостроения того времени. Станок отличается высокой точностью обработки. Об этом свидетельствует буква П (повышенная точность) в обозначении (шифре) станка. Обратим внимание и на другие буквы и цифры в обозначении станка. Буква Ф означает, что станок оснащен системой программного управления, а цифра 4 является признаком многооперационного станка с контурной системой ЧПУ. Буква М определяет способ хранения запаса инструментов - в магазине. (Для станков с инструментальными револьверными головками в обозначение вводят букву Р.)
Рис. 4. Горизонтальный многооперационный станок 2623ПМФ4
Рассмотрим, какие отличительные признаки используют в обозначениях других станков с программным управлением.
Обозначение Ф1 применяют для станков, оборудованных устройствами цифровой индикации и предварительного набора координат. Для получения заданного перемещения рабочего органа такого станка оператор набирает на пульте управления нужный размер по каждой координате, и станок выполняет заданные перемещения. Фактическая величина перемещения регистрируется на табло светящимися цифрами; этот способ, позволяющий оператору в любой момент видеть, какие движения совершает станок, контролировать его работу, называется способом цифровой индикации.
Обозначение Ф2 относится к станкам с позиционными системами ЧПУ, а Ф3 - к станкам с контурной системой ЧПУ.
Цифры в начале обозначения модели станка в нашем примере соответствуют существующей в СССР общей классификации станков.
Первая цифра 2 означает, что станок отнесен к группе расточных, вторая 6 - к группе горизонтальных, так как имеет горизонтально расположенный шпиндель. Третья и четвертая цифры 23 показывают условный размер станка.
Надо сказать, что не все станкостроительные заводы придерживаются такой классификации. Например, Ивановское станкостроительное производственное объединение им. 50-летия СССР обозначает свои многооперационные станки буквами ИР. Получили широкое распространение многооперационные станки типа АПРС: модели АПРС-1H, АПРС1М и др. Отсутствует международная система обозначения моделей многооперационных станков.
Вернемся к многооперационному станку 2623ПМФ4 (см. рис. 4). Шпиндель (Ш) установлен в шпиндельной бабке (ШБ), которая может подниматься и опускаться по направляющим вертикальной стойки 5. Стойка может перемещаться в горизонтальной плоскости, параллельной оси шпинделя. Стол станка состоит из двух основных частей: нижней 13, имеющей горизонтальное перемещение перпендикулярно к оси шпинделя, и верхней 12 - поворотный. Шпиндель установлен в выдвижной пиноли.
Рассмотренную компоновку применяют и в станках расточной группы. Но обрабатывающие центры оснащены также инструментальным магазином (М) в виде бесконечной цепи с гнездами для оправок с закрепленными в них металлорежущими инструментами. Для передачи инструментов в шпиндель станка и обратно служит автооператор (А). Автооператор одновременно захватывает инструменты оправки в магазине и шпинделе и меняет их местами. Нужное гнездо магазина приводится в положение смены движением цепи.
Заготовка подается на стол станка вместе с приспособлением-спутником, на котором она заранее установлена и закреплена. На рис. 1 показан момент подготовки станка к обработке первой заготовки. Заготовка з закреплена на спутнике 2, находящемся на направляющих дополнительного стола 14, установленного на станине 1. Для передачи спутника с заготовкой на станок нижний стол 13 сместится в крайнее левое положение, и спутник будет передвинут на направляющие стола, где произойдет его закрепление. После этого нижний стол 13 перейдет вправо к шпинделю, и начнется обработка заготовки последовательно со всех сторон. Поворот спутника с заготовкой обеспечивает верхний стол 12 станка, приводом которого является двигатель 11. В процессе выполнения операции на втором приспособлении-спутнике 9, находящемся на станине 10, установят и закрепят вторую, такую же или другую, заготовку. По окончании обработки первой заготовки ее вместе со спутником переместят на стол, а вместо нее установят на станок вторую заготовку. Пока станок будет ее обрабатывать, обработанную деталь снимут с левого спутника и вместо нее установят следующую заготовку. Такой «маятниковый» или «челночный» способ подачи заготовок в рабочую зону станка позволяет обеспечить почти безостановочную обработку заготовок и тем самым эффективно использовать высокопроизводительное, но дорогостоящее оборудование.
Управление всеми рабочими и вспомогательными движениями узлов станка, работой магазина, устройства для смены инструментов, поворотом стола, подачей и закреплением спутников и другими устройствами и механизмами выполняются автоматически по командам от системы ЧПУ 8.
Частоту вращения шпинделя в диапазоне 5-1250 об/мин изменяют с помощью мощного электродвигателя 7 постоянного тока с бесступенчатым регулированием и простой двухступенчатой коробки скоростей.
Рабочие подачи изменяются бесступенчато в пределах 2-1600 мм/мин без применения коробки передач, с помощью высокомоментных электродвигателей постоянного тока с тиристорным управлением (на рис.1 это двигатель 4, перемещающий шпиндельную бабку).
Шпиндель станка смонтирован на прецизионных подшипниках качения с предварительным натягом. Ходовые винты и гайки, так же как во Всех станках с ЧПУ, выполнены в виде пар качения. Станок имеет точные гидростатические направляющие с централизованной подачей смазочного материала для перемещения стола и стойки, комбинированные направляющие (сочетание закаленных направляющих и роликовых опор - «танкеток») для перемещения шпиндельной бабки.
Существуют и другие типы многооперационных обрабатывающих центров, в том числе вертикальные, продольно-обрабатывающие, токарные. Но прежде чем рассматривать их особенности, назначение и технологические возможности, следует узнать, как обозначают координатные перемещения для станков с ЧПУ.
Это удобно для характеристики движений каждого станка и необходимо при разработке технологии и управляющих программ.
