Машины-автоматы
Первым этапом автоматизации производственных процессов явилась автоматизация рабочего цикла машины, создание машин-автоматов и полуавтоматов. На этом этапе основной конструкторской задачей является создание автоматически действующих механизмов холостых ходов и управления рабочим циклом.
Все бесконечное разнообразие конструкций и компоновок современных рабочих машин можно классифицировать по нескольким признакам, среди которых важнейшими являются:
технологическое назначение — токарные, шлифовальные, сборочные, намоточные, ткацкие, печатные, упаковочные и т.п.;
степень универсальности — универсальные, специализированные и специальные;
степень автоматизации — машины с ручным управлением, полуавтоматы и автоматы.
Для обработки одних и тех же изделий, как правило, могут быть спроектированы или использованы различные варианты машин, отличающиеся друг от друга степенью автоматизации, универсальностью, количеством позиций, принципом действия и т.д. Они отличаются техникоэкономическими показателями, которые являются критериями их сравнительной оценки. Основными из них являются: производительность, надежность в работе, стоимость, количество обслуживающих рабочих, себестоимость эксплуатации.
Развитие автоматизации неизбежно связано с улучшением одних показателей, прежде всего с повышением производительности машин и сокращением количества обслуживающих рабочих, и ухудшением других: увеличением стоимости, ремонтосложности, усложнением наладки и обслуживания.
Исторически первой группой машин по степени автоматизации явились универсальные станки с ручным управлением. При этом термин «станок» является обобщенным названием технологического оборудования, не только металлорежущего (гибочный станок, намоточный станок, ткацкий станок, печатный станок и др.). Главной особенностью универсальных станков с ручным управлением является то, что рабочие операции выполняются машиной, а холостые ходы и управление последовательностью элементов рабочего цикла — человеком с помощью кнопок, рукояток, рычагов, штурвалов, маховиков и т.д. Универсальные станки, история которых насчитывает много веков, постоянно совершенствуются и в настоящее время широко оснащаются средствами механизации и малой автоматизации для облегчения и ускорения ручных операций. Однако это не меняет их основного характерного признака — необходимости постоянного присутствия человека и его участия в выполнении рабочего цикла.
Универсальное неавтоматизированное оборудование было преобладающим во всех отраслях машиностроения до 20-х гг.
XX в., когда увеличение масштабов производства, растущая потребность изготовления большого количества одних и тех же изделий (часовая, автомобильная, подшипниковая промышленность) обусловили широкое применение второй группы — универсальных автоматов и полуавтоматов. Их основное преимущество перед станками с ручным управлением — высокая производительность и значительные возможности многостаночного обслуживания.
Обрабатываемые изделия закрепляются в них в зажимных патронах шпинделей, которые смонтированы в шпиндельном блоке. Обработка производится с поперечных суппортов (на каждой позиции) и центрального продольного суппорта во время стоянки шпиндельного блока в зафиксированном положении. Периодический поворот шпиндельного блока обеспечивает последовательный подвод обрабатываемых изделий ко всем инструментам и их последовательную обработку: от черновой обточки до отрезки.
Программоносителем является распределительный вал, расположенный сверху, над шпиндельным блоком и суппортами.
Каждый целевой механизм рабочих и холостых ходов управляется от соответствующего кулачка, смонтированного на распределительном валу, через рычажные системы. Рабочий цикл соответствует одному обороту распределительного вала и, следовательно, одному срабатыванию каждого из основных механизмов (суппорты, механизмы подачи и зажима обрабатываемого материала, поворота и фиксации шпиндельного блока и др.). За один цикл выдается одно готовое изделие и подается одна новая позиция обрабатываемого материала.
Универсальные автоматы превышают по производительности неавтоматизированные станки во много раз благодаря использованию принципов совмещения отдельных рабочих и холостых ходов между собой. Так, в рассмотренном выше токарном многошпиндельном автомате все операции обработки в различных позициях совершаются одновременно и тем самым совмещаются между собой.
В результате токарные многошпиндельные автоматы производительнее станков с ручным управлением до 20 раз. Однако это справедливо лишь при отсутствии переналадки, при обработке одних и тех же изделий, так как мобильность автоматов и полуавтоматов значительно ниже, чем неавтоматизированных станков. Так, переналадка токарного автомата занимает несколько часов и требует переналадки программоносителя — замены кулачков, копиров, а также регулировки рычажных передаточных систем; кинематической перенастройки — замены сменных шестерен; замены инструментов и технологической оснастки; регулировки механизмов и устройств — суппорта, зажимных механизмов и т.д.
Поэтому универсальные автоматы типичны для крупносерийного производства и массового производства с быстрой заменой объектов обработки, они широко применяются в различных отраслях машиностроения и приборостроении.
В условиях массового производства стабильной продукции отпадает необходимость в переналадке оборудования. При этом, как правило, весьма велики и масштабы выпуска, а следовательно, требования к производительности технологического оборудования, отсюда появление третьей группы машин — специализированных и специальных автоматов и полуавтоматов.
Специализированными называются рабочие машины, которые можно переналадить на обработку узкой группы однотипных изделий. Специальные станки, автоматы, полуавтоматы и автоматические линии проектируются в расчете на изготовление конкретного изделия.
Любое специальное оборудование в той или иной степени является уникальным, что заставляет при проектировании постоянно искать новые оригинальные конструктивные и компоновочные решения, отработка и доводка которых требуют значительного времени. Поэтому общими недостатками специализированных и специальных автоматов и полуавтоматов являются не только высокая стоимость и недостаточная надежность, но и длительные сроки поставки новых машин. На проектирование, изготовление, отладку и освоение новых оригинальных машин требуется, как правило, несколько лет, в течение которых объект производства может устареть. Между тем при смене обрабатываемых изделий подавляющее большинство специального оборудования оказывается непригодным и подлежит списанию или модернизации.
Устранить противоречия между растущими требованиями к производительности и мобильности оборудования можно только путем создания машин, сочетающих высокую производительность с широкими технологическими возможностями, короткими сроками проектирования и освоения. Это достигается в том случае, если новые специальные автоматы и полуавтоматы не проектируются каждый раз заново, а компонуются на базе типовых механизмов и устройств, которые можно унифицировать подобно тому, как унифицируют крепежные изделия, подшипники, электродвигатели и др.
В 30-е гг. XX в. началось проектирование специальных машин из унифицированных функциональных узлов, которые к настоящему времени получили широкое применение во многих отраслях автоматостроения. Наибольшее их количество создано для механической обработки корпусных и других изделий, неподвижных при обработке. Такие автоматы и полуавтоматы — четвертая группа — получили название агрегатных станков.
Агрегатные станки компонуются из разнотипных унифицированных механизмов и узлов с минимальным количеством оригинальных конструктивных элементов. Они предназначаются обычно для выполнения сверлильных, расточных операций; нарезания резьбы в отверстиях; фрезерования плоскостей, пазов и выступов. Многопозиционный агрегатный станок-полуавтомат имеет следующие основные функциональные узлы: силовые столы, несамодействующие силовые головки, шпиндельные коробки, поворотный стол с приводом поворота, боковые станины, вертикальные стойки, центральную станину.
Унификация возможна для тех узлов, функциональное назначение которых не зависит от конкретных обрабатываемых изделий. Так, силовые столы как механизмы подачи при любой обработке имеют один и тот же цикл срабатывания: быстрый подвод—медленная рабочая подача — быстрый отвод —остановка в исходном положении. Поэтому силовые столы унифицированы в виде гаммы типоразмеров.
Аналогично унифицируют несамодействующие силовые головки, которые монтируются на силовых столах и имеют по одному выходному шпинделю. Шпиндельные коробки являются специальными узлами и проектируются применительно к конкретному обрабатываемому изделию, которое определяет и число, и взаимное расположение рабочих шпинделей, несущих режущие инструменты. Аналогично необходимо в каждом случае проектировать и приспособления для закрепления обрабатываемых изделий.
Поворотные столы различных станков имеют одинаковое функциональное назначение — периодический поворот и стоянку в фиксированном положении — и могут отличаться лишь числом позиций и габаритными размерами. Поэтому поворотные столы унифицированы по типоразмерам, отличающимся числом позиций и диаметром стола. Стол унифицируют вместе с механизмом поворота и центральной (круглой) станиной, которая имеет стыковочные присоединительные поверхности для боковых станин и стоек, на которых монтируют силовые узлы (столы, головки).
В результате проектирование агрегатных станков по разработанному технологическому процессу сводится к проектированию шпиндельных коробок и приспособлений. Остальные узлы подбирают из имеющейся номенклатуры типоразмеров и компонуют в соответствии с типовыми компоновочными решениями.
Агрегатные станки решают проблемы автоматизации прежде всего массового производства, потому что, как правило, они не предусматривают переналадки на другие изделия.
Новым прогрессивным видом автоматизированного оборудования, которое получило широкое применение лишь в 60-е гг. XX в., являются станки с числовым программным управлением, применение которых позволяет решить проблемы автоматизации серийного производства.
В отличие от полуавтоматов и автоматов, в которых программоносителями являются кулачки или упоры, в станках с числовым программным управлением программа задается с помощью информации, закодированной на носителях информации (например, перфоленте), считываемой и преобразуемой с помощью электронных систем.
На рис. 25 представлен многооперационный станок с числовым программным управлением и автоматической заменой инструмента. Станок имеет магазин, в котором помещается комплект инструмента, необходимый для обработки, и механизмы для автоматической замены инструмента в шпинделе по заданной программе. Это дает возможность производить автоматически за один установ весь цикл обработки самых сложных корпусных изделий с выполнением операций фрезерования, расточки, сверления, зенкерования, нарезания резьбы и т.д. Коробки скоростей и подач обеспечивают автоматическое переключение во время холостых ходов, что позволяет на всех операциях применять оптимальные режимы обработки. Многооперационные станки с программным управлением, как правило, имеют два стола, что позволяет совмещать снятие обработанных изделий, установку и выверку заготовок с обработкой.
Рис. 25. Многооперационный станок с числовым программным управлением: 1 — координатный стол; 2 — стойка; 3 — шпиндельная бабка; 4 — магазин инструментов; 5 — пульт управления
Таким образом, станки с ЧПУ сочетают высокую производительность, присущую полуавтоматам и автоматам, с высокой мобильностью, характерной для универсальных станков. Их создание и внедрение явилось новым этапом развития мирового автоматостроения.
Высшей формой автоматизированного производства на первом этапе являются поточные линии из полуавтоматов и автоматов, в которых основные технологические процессы обработки выполняются автоматически, а межстаночная транспортировка, накопление заделов, контроль качества обработанных изделий, удаление отходов выполняются вручную. В поточных линиях из полуавтоматов, кроме того, вручную выполняются операции загрузки-выгрузки обрабатываемых изделий.