Волчкевич Л.И. Автоматизация производственных процессов

Подождите немного. Документ загружается.

161

Глава 5

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МАШИН-АВТОМАТОВ

5.1. ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И

КОНЦЕНТРАЦИЯ ОПЕРАЦИЙ

Для получения современного цветного кинескопа требуется около

400 разнообразных технологических. воздействий, для автомобильного

двигателя – намного больше, что не может быть реализовано на одной

машине. Поэтому общее технологическое воздействие, необходимое для

получения любого изделия, неизбежно разделяется: дифференцируется

на составные части, выполняемые в различных рабочих позициях на раз-

ном оборудовании.

Первичная дифференциация технологического процесса (ТП) –

это разделение его на разнородные операции, которые невозможно или

неразумно осуществить в одной позиции.

Пример 1. Завершающими операциями изготовления цветного кине-

скопа (рис 5.1) являются:

1) склеивание конуса с экранно-масочным узлом;

2) проверка герметичности шва;

3) заваривание электронно-оптической системы (ЭОС) в горловину;

4) откачка и герметизация кинескопа;

5) контроль и тренировка.

Даже эти пять операций невозможно осуществить на одной машине, одно-

или многопозиционной; необходимо иметь, по меньшей мере, пять рабочих пози-

ций и пять однопозиционных машин с последовательной передачей изделий

(рис. 5.2) при различной длительности выполняемых операций.

Рис. 5.1. Цветной кинескоп:

1 – горловина; 2 – конус;

3 – ножка; 4 – экран

Рис. 5.2. Схема технологической цепочки

машин для завершающих операций

изготовления цветных кинескопов:

p 01

, t

p 02

, … – время обработки на каждой

операции

162

Первичная дифференциация ТП есть вынужденная мера; общее чис-

ло позиций q, в которых реализуется ТП, не может быть меньше некото-

рого минимального значения q

min

Пример 2. Для изготовления вала-шестерни (рис. 5.3) необходимо вы-

полнить операции:

1) формообразования (например, горячей штамповкой);

2) подрезки и зацентровки торцов;

3) обточки шеек;

4) нарезания зубьев;

5) термообработки;

6) шлифования шеек;

7) шлифования зубьев.

Обработку торцов и обточку шеек можно осуществить в одной позиции, для

остальных операций нужно специфическое оборудование.

Первичная дифференциация требует наличия для обработки вала, по мень-

шей мере, шести рабочих позиций и шести однопозиционных машин.

Вторичная дифференциация ТП означает, что конкретные операции, кото-

рые технически можно выполнить в одной позиции, расчленяются на части, реа-

лизуемые на нескольких позициях.

В табл. 5.1 приведены данные по длительности всех технологических пере-

ходов при токарной обработке вала-шестерни по рис. 5.3 инвариантно к тому, на

каком оборудовании это будет сделано.

Учитывая, что вал имеет два торца, пять канавок и две фаски, суммарная дли-

тельность обработки, согласно данным табл. 5.1, составит t

р о

= 4,58 мин ≈

≈ 4,6 мин.

Всю обработку в простейшем варианте можно выполнить в одной позиции

на универсальном токарном станке (рис. 5.4, а). Тогда рабочий цикл Т помимо

времени рабочего хода t

р о

= 4,6 мин будет включать в себя множество холостых

ходов t

, не совмещенных с рабочим: установку и зажим вала в патроне с после-

дующими разжимом и перевертыванием (для обработки с другой стороны), вто-

ричный зажим и снятие; подводы и отводы суппорта; неоднократные замены

инструментов и т.д. Много времени занимает настройка резцов на глубину реза-

ния, что необходимо практически перед каждым проходом.

Из опыта эксплуатации подобных станков известно, что вспомогательное время

на совершение всех холостых ходов превышает технологическое в 4 – 5 раз. Если

принять t

= 4t

р о

= 18 мин, то производительность однопозиционного токарного

станка при коэффициенте использова-

ния η

ис

= 0,9 и длительности смены

см

= 480 мин:

209,0

186,4

4801

ис

хор

⋅

=η

⋅

шт./смена.

Глава 5. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МАШИН-АВТОМАТОВ

Рис. 5.3. Вал-шестерня:

а, …, е – шейки вала

163

5.1. Длительность технологических переходов

при обработке вала-шестерни

Наименование перехода

Обозначения шейки вала

(см. рис. 5.3)

, мин

Подрезка торца 0,35

Зацентровка торца

–

0,15

0,10

в 0,25

г 0,20

д 0,10

Черновая обточка шейки

0,12

в 0,30

г 0,25

д 0,12

Чистовая обточка шейки

е 0,15

Прорезка канавки

0,25

Снятие фаски

–

0,05

Вторичная дифференциация ТП, когда число позиций q > l (см. рис. 5.4, б, в),

состоит в том, что тот же объем обработки распределяется на ряд однопозицион-

ных станков таким образом, что каждое изделие в соответствии с технологиче-

ским маршрутом получает в итоге полное технологическое воздействие. Оконча-

тельно обработанные валы снимают лишь с последнего станка.

Данный подход обладает несколькими преимуществами. Так как необходи-

мый комплект инструмента распределяется по нескольким станкам, они стано-

вятся специализированными,

отпадает необходимость в

замене инструмента, пробных

проходах и т.п. Вместо под-

резки торцов можно приме-

нить более производительное

фрезерование (t

= 0,25 мин

вместо 0,35 мин); обрабаты-

вать можно сразу оба торца;

получать все фаски и канавки

одновременно. Проще реша-

ются вопросы автоматизации

станков.

ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Рис. 5.4. Варианты технологического

оборудования для токарной обработки вала:

а – универсальный токарный станок;

б, в – системы специализированных

однопозиционных станков

164

При этом поточная линия (см. рис. 5.4, б)

будет состоять из фрезерно-

центровального, нескольких гидрокопировальных и одного многорезцового стан-

ка. Степень вторичной дифференциации ТП и число последовательно действую-

щих станков может варьироваться в широких пределах.

Рассмотрим четырехпозиционный вариант:

первый станок – фрезерование торцов и их зацентровка:

= 0,25 + 0,15 = 0,40 мин (см. табл. 5.1);

второй станок – черновая и чистовая обточка шеек а, б, в:

= 0,10 + 0,10 + 0,25 + 0,12 + 0,12 + 0,30 = 0,99 мин;

третий станок – черновая и чистовая обточка шеек г, д, е:

III

= 0,20 + 0,10 + 0,12 + 0,25 + 0,12 + 0,15 = 0,94 мин;

четвертый станок – одновременная прорезка всех канавок и снятие фасок,

где время равно времени обработки одной канавки:

= 0,25 мин.

Итак, при четырехпозиционном варианте, когда q = 4, лимитирующим по

производительности в однопоточной технологической цепочке будет второй ста-

нок с t

= 0,99 мин. Его производительность

30080,0

3,099,0

4804801

ис

хII

=η

⋅

Q шт./смена.

Здесь t

= 0,3 мин – время холостых ходов, которое включает в себя в ос-

новном время установки и съема вала; η

ис

= 0,80 – коэффициент использования,

который ниже, чем у универсального станка.

Повышение производительности достигается сокращением длительности

обработки почти в 5 раз (благодаря дифференциации ТП) и холостых ходов почти

в 50 раз (благодаря упрощению рабочего цикла и его автоматизации). При увели-

чении степени дифференциации q > q

min

производительность будет расти.

Так, при шести станках разделяются по позициям черновая и чистовая об-

работка, что благоприятно сказывается на точности изделий. Рассмотрим данный

вариант:

первый станок – фрезерование торцов и зацентровка; t

= 0,40 мин;

второй станок – черновая обточка шеек а, б, в; t

= 0,45 мин;

третий станок – черновая обточка шеек г, д, е; t

III

= 0,42 мин;

четвертый станок – чистовая обточка шеек а, б, в; t

= 0,54 мин;

пятый станок – чистовая обточка шеек г, д, e; t

= 0,52 мин;

шестой станок – прорезка канавок и снятие фасок; t

= 0,25 мин.

Лимитирующим по производительности будет четвертый станок с длитель-

ностью цикла

T = t

+ t

= 0,54 + 0,3 = 0,84 мин

Глава 5. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МАШИН-АВТОМАТОВ

165

и производительностью Q = 460 шт./cмeна, что в 1,5 раза больше, чем при четы-

рехстаночной дифференциации.

При q = 14 на одном гидрокопировальном станке будет обрабатываться чис-

товым проходом только одна из шеек (в), лимитирующим по производительности

становится фрезерно-центровальный станок с длительностью обработки t

= 0,40 мин,

рабочим циклом Т = 0,65 мин и производительностью почти 600 шт./смена, т.е.

эффективность вторичной дифференциации в отношении роста производительно-

сти постепенно снижается.

Для теоретического анализа и отыскания закономерностей примем,

что ТП дифференцируется по позициям равномерно, тогда производи-

тельность однопозиционной машины с дифференцированным ТП

ис

ор

где t

р о

– общее время обработки, дифференцированное на q позиций;

– время несовмещенных холостых ходов;

ис

– коэффициент использования.

На рис. 5.5 показана зависимость производительности оборудования

Q от степени вторичной дифференциации ТП, т.е. числа позиций или

однопозиционных машин q. Она имеет асимптотический характер, в то

время как суммарная стоимость оборудования K пропорциональна числу

машин:

qKK

= ,

где K

– стоимость одного станка.

Даже без специальных расчетов можно сделать вывод, что макси-

мальная степень дифференциации ТП экономически невыгодна.

Следует напомнить, что

при этом все сопоставления

должны проводиться при

одинаковых масштабах вы-

пуска. Так, для того же вы-

пуска, как на поточной ли-

нии из шести станков с

Q = 460 шт./смена, альтер-

нативным вариантом явля-

ется участок из параллельно

работающих токарных стан-

ков (Q = 20 шт./смена); всего

ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Рис. 5.5. Зависимость производительности

Q и стоимости K оборудования

от степени вторичной дифференциации ТП

166

необходимо иметь станка23

460

= . Поскольку токарный гидро-

копировальный полуавтомат намного дороже токарного станка, то сум-

марная стоимость оборудования может оказаться сопоставимой. Тогда

основным фактором экономии станет сокращение численности рабочих.

Однако не все ТП можно просто дифференцировать и "заложить" в

однопозиционное оборудование, так как паузы между отдельными фраг-

ментами обработки становятся во времени произвольными и неконтро-

лируемыми. Если для токарной обработки это не имеет значения, то для

термических, вакуумных и других операций недопустимо.

Поэтому вторичная дифференциация ТП дополняется концентраци-

ей операций.

Концентрация операций – это объединение операций дифферен-

цированного ТП в одной многопозиционной машине или автомати-

ческой линии (рис. 5.6).

ТП длительностью t

p о

можно выполнить в однопозиционной маши-

не (см. рис. 5.6, а) или дифференцировать на q частей. Однако вместо q

однопозиционных машин (см. рис. 5.4, б, в) можно применить одну мно-

гопозиционную с q рабочими позициями, расположенными линейно (см.

рис 5.6, б) или по окружности (см. рис. 5.6, в).

Принципиальное отличие многопозиционной машины от группы

однопозиционных для того же ТП состоит в конструктивном объедине-

нии и регламентированных интервалах времени между обработкой на

соседних позициях, что позволяет свести паузы между ними к минимуму

и, тем самым, приблизить процесс к непрерывному воздействию; это

особенно важно для термической, вакуумной и других видов обработки.

Исчезает необходимость в многократных загрузках и съемах изделий при

переходе от позиции к позиции, сокращается число рабочих-операторов

или механизмов автоматической загрузки.

Рис. 5.6. Одно- (а) и многопозиционные (б, в) машины

Глава 5. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МАШИН-АВТОМАТОВ

167

И, наконец, холостые ходы, характерные для однопозиционных ма-

шин, в большинстве своем становятся совмещенными и выполняются на

специальных холостых позициях (загрузка, съем и т.п.). Единственным

несовмещенным рабочим ходом в многопозиционных машинах дискрет-

ного действия остается передача изделий с одной позиции на другую:

либо линейно (рис. 5.6, б) – посредством штанговых или цепных транс-

портеров, либо по окружности (рис. 5.6, в) – поворотом стола.

Итак, лишь первичная дифференциация ТП является необходимо-

стью; вторичная дифференциация и концентрация порождены стрем-

лением к более высокой производительности, что может быть реализо-

вано только на базе автоматически действующего оборудования: ма-

шин-полуавтоматов и автоматов. В дальнейшем для краткости будем

употреблять только термин "автоматы".

Обобщая все изложенное, мож-

но проследить процесс борьбы за

высокую производительность во

взаимосвязи с формированием раз-

личных видов машин (рис. 5.7).

При невысоких требованиях к

производительности изделия обраба-

тывают на однопозиционных маши-

нах (см. рис. 5.7, б), которые имеют

технологически необходимый ком-

плект механизмов рабочих и холо-

стых ходов и инструментов. Повы-

шение требований к производитель-

ности приводит к дифференциации

ТП на отдельные операции, выпол-

няемые системой однопозиционных

машин, каждая из которых осущест-

вляет, как правило, одну составную и

совмещенные с ней операции, допус-

тимые конструкцией детали и приня-

тым ТП (многоинструментальная

обработка). Тем самым формируется

технологическая цепочка, состоящая

из q однопозиционных машин (см.

рис. 5.7, б).

ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Рис. 5.7. Виды одно- и

многопозиционных машин

168

Изделия последовательно передаются с позиции на позицию, полу-

чая постепенно весь объем технологического воздействия. При этом су-

щественно повышается производительность, так как интервал выпуска

равен длительности одной составной операции обработки плюс время

холостых ходов на загрузку изделий, зажим и разжим, подвод инстру-

ментов и т.д.

Дальнейшее возрастание требований к производительности приво-

дит к тому, что одна технологическая цепочка машин с дифференцирован-

ным ТП уже не в состоянии обеспечить производственную программу,

поэтому появляются дублеры – р технологических цепочек из q машин (см.

рис. 5.7, в). Такие машины конструктивно воплощают дифференцирован-

ный ТП (с многоинструментальной обработкой в одной позиции).

Наращивая число параллельно работающих технологических цепочек

р, можно довести производительность системы машин (см. рис. 5.7, в) до

сколь угодно высокого уровня. Однако такое структурно-компоновочное

решение неразумно по нескольким соображениям: велика общая конст-

руктивная сложность – ведь у каждой из машин числом pq необходимо

иметь свой привод, свою систему управления, механизмы загрузки и съема

изделий; велики общая площадь и численность обслуживающего персона-

ла. Отсюда – неизбежный переход к многопозиционным автоматам.

Принцип построения многопозиционных автоматов заключается в

том, что в них концентрируются одно- или разноименные, или одновре-

менно и те и другие операции ТП. В зависимости от типа концентрируе-

мых операций различают автоматы последовательного, параллельного и

последовательно-параллельного действия.

В автоматах последовательного действия концентрируют разно-

именные операции обработки, контроля, сборки, последовательно выпол-

няемые на одном изделии (см. рис. 5.7, г). Если составные операции ТП не

дифференцированы, то машина последовательного действия имеет один

комплект инструмента, рассредоточенный по рабочим позициям в порядке,

заданном технологическим маршрутом обработки данного изделия.

В автоматах параллельного действия концентрируют одноименные

операции дифференцированного ТП (см. рис. 5.7, д).

В автоматах последовательно-параллельного (смешанного) действия

концентрируют как разноименные, так и одноименные операции (см.

рис. 5.7, е).

Как показывает опыт, многопозиционную машину с фиксированным

общим числом позиций можно, как правило, построить по всем трем

структурным вариантам.

Глава 5. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МАШИН-АВТОМАТОВ

169

Метод концентрации операций позволяет при проектировании авто-

матов и автоматических линий широко использовать принципы стандар-

тизации, так как большая часть позиционных механизмов идентична.

В автоматах параллельного действия, где на всех позициях выполняются

одни и те же операции обработки, имеется комплект из похожих меха-

низмов рабочих и холостых ходов, которые и по конструкции, как прави-

ло, одинаковы. В автоматах последовательного действия даже самого

разного назначения имеются идентичные механизмы, например поворот-

ный стол, механизмы его поворота и фиксации, приводы шпинделей и

т.д., которые можно унифицировать. Широки возможности унификации

и позиционных механизмов.

Известна общая формула технической производительности [см. фор-

мулу (3.19)]

∑

схр

ttt

. (5.1)

Формулы производительности для конкретных видов машин можно

получить следующим образом.

Первоначально находятся частные зависимости времени: рабочих хо-

дов

...),,(

211р

xxft = , холостых ходов, не совмещенных с рабочими

...),,(

212х

xxft = , собственных внецикловых потерь ...),,(

213с

xxft =

∑

, –

которые затем подставляются в общую формулу.

В однопозиционных машинах все технологические воздействия вы-

полняются в одной рабочей зоне, где изделие либо находится стационар-

но и совершает необходимые технологические движения типа вращения

(машины дискретного действия), либо проходит сквозь рабочую зону с

необходимой скоростью (машины непрерывного действия).

На рис. 5.8 показана конструктивная схема полуавтомата электрон-

но-лучевой обработки, где могут выполняться операции микросварки,

размерной микрообработки (отверстия, прорези), удаления микрослоев

материала и т.д.

Обработка проводится в вакууме в специальной камере, куда поме-

щают обрабатываемые плоские изделия.

Электронный луч формирует электронно-оптическая система (ЭОС),

которая включает в себя электронную пушку 1, системы стабилизации 2,

фокусировки 3 и отклонения 4 электронного луча. Взаимные перемеще-

ния электронного луча и изделия 5 в плоскости проводятся посредством

отклонения электронного луча или перемещением координатного столи-

ка 6 в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях от раздельного при-

вода 7 и 8.

ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

170

Рис. 5.8. Конструктивная схема полуавтомата

электронно-лучевой размерной обработки

Обработку начинают с установки изделия на координатный столик и

герметизации камеры 10. Затем проводят откачку объема камеры и ЭОС.

После достижения требуемой степени вакуумирования включают ЭОС и

начинают обработку. По завершении обработки перекрывают вакуум-

провод 9 и напускают воздух. Происходит разгерметизация камеры. Го-

товое изделие заменяют новой заготовкой, и цикл повторяется.

Несовмещенными ручными операциями на данном полуавтомате

являются загрузка обрабатываемых изделий в вакуумную камеру и за-

крепление их на столике, герметизация камеры, а после завершения об-

работки и напуска воздуха – вскрытие камеры и съем изделий.

Автоматически выполняются следующие холостые ходы: откачка

воздуха из камеры и объема ЭОС и координатные установочные переме-

щения стола.

Глава 5. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МАШИН-АВТОМАТОВ