Проект модернизации токарного станка с ЧПУ 1П426ДФ3 с заменой системой управления и расширением технологических возможностей

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Автоматизация производственных процессов и производств»

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Проект модернизации токарного станка с ЧПУ 1П426ДФ3 с заменой системой управления и расширением технологических возможностей

Курган 2010

Аннотация

Проект автоматизированной технологической системы, состоящей из станка, приспособления, вспомогательного, режущего, измерительного инструмента, обрабатываемых деталей, включает в себя расчеты улучшенного, с точки зрения компоновки и технических возможностей, станка, разработанного на базе уже существующего, расчеты автоматического поворотного патрона, подбор материала режущей части инструмента, подбор системы управления и т.д.

Дипломный проект, выполненный с обязательным учетом всех требований ГОСТа и ЕСКД, состоит из двух частей - пояснительной записки и графической части. Пояснительная записка выполнена на 123 страницах в Microsoft Word и включает в себя алгоритмы расчета по всем заданным темам. Графическая часть представлена в 10 листах формата А1, созданная в пакете AutoCAD 2004, КОМПАС-3D v10. Для расчетов использованы пакеты: MathCAD 2001i, Microsoft Excel.

Дипломный проект выполняется как эскизный, поэтому расчет мелких деталей в данном случае опущен.

Введение

Процесс конструирования является первым этапом создания станка. Принятие правильных решений, что является важнейшим элементом конструирования, требует от конструктора учета большого числа взаимосвязанных факторов не только технического порядка. На самых различных этапах проектирования станка проявляются факторы, относящиеся к разнообразным отраслям знаний: фундаментальным знаниям в области физико-математических, общеинженерных, социально-экономических дисциплин, а также в некоторой мере знаний изобразительного искусства и архитектуры. И, наконец, важнейшая связь конструирования с технологией и организацией производства.

Только учет разнообразных факторов, их тщательный анализ дают основание конструктору выбрать из большого числа возможных вариантов решение, близкое к оптимальному. При конструировании станка основные усилия должны быть направлены на поиски принципиально новых решений, на изобретение конструкций, превосходящих существующие по всем основным показателям. Лишь на стадии конструирования в полной мере можно из многочисленных различных вариантов выбрать действительно оптимальное решение. Применение средств вычислительной техники уже на ранней стадии конструирования дает возможность проанализировать большое число различных решений и гораздо точнее решить задачу оптимизации.

Весь процесс конструирования станка можно условно разделить на ряд последовательных этапов. Выполнение работ требует учета влияния различных этапов, так как все они взаимно связаны. Решение любой конструкторской задачи после формулирования исходных данных сводится, прежде всего, к поиску возможных различных вариантов осуществления конструкции. Реальность вариантов конструкции подтверждается предварительными расчетами, затем следует сравнительный анализ вариантов конструкции, на основе которого выбирают обоснованный оптимальный для данных конкретных условий вариант конструкции. После проверки выполняют чертеж узла.

Все большее развитие получают станки с программным управлением, обеспечивающие высокую мобильность производства, точность и производительность обработки. Проектирование станка с ЧПУ это очень сложный процесс, включающий в себя очень много технических решений.

В данном дипломном проекте рассматривается токарный станок аналог 1П426ДФ3. Целью дипломного проекта является поиск путей повышения эффективности токарных станков в условиях мелкосерийного производства, а именно: усовершенствование поворотного патрона, подбор системы управления и т.д., расширяющие технологические возможности станка.

Кроме того, рассматриваются различные виды многогранных неперетачиваемых пластин, применяемых в резцовых блоках, фирмы Sandvik Koromant, которые устанавливаются на одну из револьверных головок, подбор материала режущей части инструмента. Для оценки рациональности замены инструмента, применяемого на ОАО «Икар», на инструмент фирмы Sandvik Koromant рассчитывается себестоимость обработки детали. Рассматривается вероятность отказа технологической системы при токарной обработке.

Рассчитываются капитальные вложения на модернизацию станка и экономический эффект. Также освещены вопросы экологичности и безопасности проекта.

1. Обоснование модернизации станка 1П426ДФ3

Нынешние токарные станки сильно устарели, более чем по ряду показателей, к сожалению, даже на российском рынке. Что обусловлено огромным спадом производства. Даже применение на этих станках нового высококлассного режущего инструмента, немногим увеличит качество, быстроту и точность обработки. Т.к. станки не обладают высокой скоростью обработки, при которых работают современные инструменты.

В данном проекте я стараюсь создать на базе старого станка модели 1П426ДФ3, преимущественно новую конструкцию станка, отвечающую всем современным достижениям, и позволяющим обрабатывать более широкий диапазон материалов, максимально используя возможности нового обрабатывающего инструмента, с помощью последних достижений науки и техники в области станкостроения.

Назначение станка модели 1П426ДФ3 и его техническая характеристика

Рисунок 1.1

Токарный патронный полуавтомат с ЧПУ модели 1П426ДФЗ предназначен для обработки деталей в патроне со ступенчатым и криволинейным профилем в условиях мелкосерийного и серийного производства. На станке можно производить наружное точение, растачивание, сверление, нарезание резьбы по программе. Регулирование в широком диапазоне частоты шпинделя и подач позволяет производить обработку изделий как из обычных черных и цветных металлов, так и из легированных сталей. Станок также предназначен для встраивания в роботизированные комплексы и гибкие автоматизированные участки.

Токарный патронный полуавтомат с ЧПУ мод. 1П426ДФЗ имеет типовую для таких станков компоновку: направляющие станины расположены в плоскости, наклоненной под углом 20 к вертикали. Это обеспечивает хороший отвод и удаление стружки из зоны обработки, в также свободный доступ манипулятора к обрабатываемой в патроне заготовке (в составе РТК).

Защита направляющих от попадания стружки и охлаждающей жидкости обеспечивается щитками и уплотнениями. Смазка направляющих станины и каретки, а также шариковых винтов осуществляется централизованно от гидростанции через гибкие шланги, дозаторы и маслопроводы в корпусе каретки.

Револьверная головка с вертикальной осью вращения предназначена для закрепления блоков режущих инструментов, используемых при внутренней обработке (расточке, сверлении и т. п.). В конструкции револьверной головки предусмотрены внутренние каналы для подачи СОЖ к режущим инструментам. Для закрепления режущих инструментов с горизонтальной осью для наружной обточки заготовки применяется дисковая 8-позиционная револьверная головка.

Состав полуавтомата:

1- корыто

2- установка АКС

3- АКС (автоматическая коробка скоростей)

4- шпиндельная бабка

5- шпиндель

6- патрон

7- направляющие станины

8- направляющие суппорта

9- суппорт

10- револьверная головка с осью вращения параллельно оси вращения шпинделя

11- револьверная головка с осью вращения перпендикулярно оси вращения шпинделя

12- электродвигатель поперечной подачи

13- ограждение

14- электрический шкаф

15- транспортер стружки

16- пульт ЧПУ

17- насос СОЖ

Техническая характеристика станка 1П426ДФ3 представлена в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Техническая характеристика станка 1П426ДФ3

Параметр Значение Наибольшая длина обрабатываемой заготовки, мм 320 Наибольшая глубина растачивания, мм 200 Наибольший диаметр заготовки, мм: устанавливаемой над станиной 630 обрабатываемой в патроне 500 Пределы частот вращения шпинделя, об/мин 8-1600;10-2000* Пределы продольных и поперечных рабочих подач суппорта, мм/мин 1-4000 Ускоренные продольные и поперечные подачи суппорта, мм/мин 8000 Дискретность отсчёта по осям координат, мм 0,001 Количество позиций инструмента на верхней револьверной головке 8 Количество позиций на нижней револьверной головке 4 Конец шпинделя по ГОСТ 12523-67 11M Количество револьверных головок на станке 2 Мощность главного привода, кВт 22-30 Габаритные размеры, мм: длина 4600 ширина 2400 высота 2600 Масса, кг 8600

1.1 Анализ технологических процессов и оборудование для обработки корпуса

Корпус является одной из самых сложных отливок, так как имеет большие габаритные размеры, сложную форму и к нему предъявляются требования высокой прочности.

Корпус, является основной частью клиновой задвижки с выдвижным шпинделем. Данная задвижка применяется в качестве запорных устройств на технологических линиях нефтегазодобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, энергетики и коммунального хозяйства. Эта клиновая задвижка состоит из затвора, крышки, сальника, шпинделя, маховика и резьбовой втулки.

1.1.1 Технологический процесс

Заготовку получают методом литья, после этого убирают фрезерованием прибыли на среднем и магистральных фланцах и на следующей операции обрабатывают базы. После этой операции производят контрольную проточку среднего фланца для контроля правильности настройки на обработку баз. На следующей операции производят обработку среднего и магистрального фланцев. Потом переустанавливают деталь и обрабатывают второй магистральный фланец. После переходят к другой операции, на которой фрезеруют остаток питателя. На другой операции сверлят отверстия на магистральных фланцах, а затем переустанавливают деталь и сверлят отверстия и нарезают резьбу на среднем фланце. На следующей операции подрезают тыльную сторону фланца.

1.1.2 Оборудование

Широкая автоматизация в машиностроении выдвигает задачу обеспечения современного оборудования высокопроизводительным металлорежущим инструментом. Поэтому в нашей технологической системе применим инструмент, предлагаемый фирмой Sandvik Koromant. В последние годы эта фирма активно продвигает свои инструменты на российский рынок. В числе этого инструмента различного вида резцы, сверла, фрезы и т.д., оснащенные МНП. Материалы этих пластин являются особо мелкозернистые твердые сплавы с различным видом покрытий. В дипломном проекте постараемся оценить рациональность замены инструмента, применяемого на ОАО «Икар» для обработки детали типа корпус, на инструмент фирмы Sandvik Koromant.

1.2 Анализ возможностей при многосторонней обработки детали на станке с ЧПУ

Рост производительности труда и качества продукции возможен в производстве, базирующемся на широком использовании новейшего технологического оборудования, обеспечивающего максимальную готовность деталей на одном рабочем месте, в частности, на многооперационных станках с ЧПУ. Однако многооперационные станки применяются преимущественно для обработки корпусных деталей вращающимся инструментом. Что касается обработки вращающихся деталей на токарных станках, то она остается традиционно односторонней. В результате этого широкий класс деталей с пересекающимися осями типа крестовин, угольников и т.п. обрабатывается на токарных станках за несколько операций, что значительно снижает производительность труда, качество изделий свидетельствует о необходимости реализации методов, позволяющих вести обработку таких деталей с двух, трех и четырех сторон за один установ.

Для реализации метода многосторонней обработки вращающихся деталей разработаны средства автоматизации, значительно расширяющие технологические возможности токарных станков с ЧПУ, с целью автоматизации малооперационных ресурсосберегающих технологий.

Применение метода многосторонней обработки является перспективным направлением повышения производительности и расширения технологических возможностей токарных станков с ЧПУ.

Сущность метода многосторонней обработки детали состоит в том, что заготовка закрепляется в приспособлении, установленном на шпинделе станка и оснащенном автоматическим поворотным устройством, с помощью которого без останова станка вводятся в зону обработки поверхности, расположенные с противоположных сторон детали и под углом 90° друг к другу. В процессе обработки в результате многократного автоматического поворота детали (под каждый инструмент) обеспечивается максимальная готовность на одной технологической операции, что в конечном итоге приводит к повышению фактической производительности автоматизированного оборудования, определяемой зависимостью

Q = Kmpsu,

где K=1/t_p -- технологическая производительность (t_p -- время рабочих ходов в цикле обработки);

m -- коэффициент, учитывающий затраты времени на установку и снятие детали;

p-- коэффициент непрерывности процесса обработки, учитывающий затраты времени на холостые ходы;

s -- коэффициент безотказности, учитывающий потери времени на восстановление работоспособности, нарушенной в результате отказов, поломок, регулировок, поднастроек и т. п.;

и -- коэффициент гибкости, учитывающий время на перенастройку оборудования при переходе с изготовления одной детали на другую.

Приведенная зависимость показывает, что рост производительности автоматизированного оборудования обеспечивается интенсификацией процесса обработки (увеличение технологической производительности К) при сокращении всех непроизводительных затрат времени (увеличение коэффициентов т, р, s, и), значения которых находятся в пределах 0 и 1, например 0<и<1.

Изложенные сущность метода многосторонней обработки и общие положения, принятые для оценки производительности работы автоматизированного оборудования, позволяют сформулировать следующие основные технологические предпосылки, необходимые для эффективной реализации метода.

Совмещение в одной операции обработки поверхностей, расположенных с двух, трех и четырех сторон вращающейся в процессе обработки детали. В результате формирования такой операции сокращается время изготовления (увеличивается коэффициент т), повышается степень автоматизации технологического процесса в целом, уменьшаются припуски на обработку, обеспечивается точность при меньшем количестве переходов.

Многократное использование инструментов наладки за один установ в рабочее положение при обработке элементов (поверхностей), расположенных с разных сторон детали, благодаря повторяемости формы и размеров этих элементов. При этом резко сокращается время на холостые ходы (возрастает коэффициент р) вследствие оптимизации структуры операций, позволяющей обрабатывать детали' с нескольких сторон без смены инструмента, на которую затрачивается больше времени, чем на поворот детали.

Сокращение общего количества оборудования в потоке (на участке, в ГПС и др.), уменьшение при этом числа источников отказов и, следовательно, повышение надежности системы'(увеличение коэффициента s).

Расширение технологических возможностей оборудования, повышение его технологического потенциала, определяемого структурной и функциональной избыточностью компонентов (инструментов, программ управления, средств контроля), и, следовательно, повышение его гибкости (рост коэффициента и)

2.2 Проектирование, конструирование и моделирование технических средств

2.1 Системный анализ модернизации на основе методов декомпозиции

2.1.1 Системный подход и общая схема системного проектирования на основе методов декомпозиции

Решение сложных творческих задач при создании новых объектов, технологий, а также проектов, реализуемых в нетехнической сфере, базируется на итеративных последовательностях процедур анализа и синтеза.

Итеративный процесс “анализ - синтез” формирует создаваемый объект базируясь на философских диалектических категориях “часть и целое”, характеризующих общее движение познания, которое начинается с нерасчлененного представления о целом, затем переходит к анализу - расчленению целого на части и завершается воспроизведением (синтезом) объекта в форме конкретного целого.

При такой постановке решение проблемы создания нового объекта целесообразно представить в виде трех взаимосвязанных этапов.

Этап 1. Формирование общего желаемого (видимого) представления о создаваемом объекте, о его потребности (функции); структуризация проблемы создания объекта.

Этап 2. Декомпозиция (анализ) задачи создания объекта - разделение её на части, образуемые относительно независимыми признаками (свойствами) объекта, с указанием множеств альтернатив реализации этих признаков.

Этап 3. Синтез решений как “свертка” поискового пространства, образованного декомпозиционной схемой задачи создания объекта, полученной на этапе 2.

В данном разделе будет рассмотрено представление об объекте, как о нерасчлененном целом является весьма ответственным и непростым. На этом этапе требуется определить и раскрыть поставленную цель, возможные последствия и результаты ее разрешения. Основная трудность этого этапа обусловлена неполнотой исходной информации, на основе которой формулируется проблема. Проблема -- это необходимость изменения состояния, а ее решение -- это технология перехода от существующего состояния к желаемому. Цель рассматривается, как результат определенного курса действий, достигаемых с учетом необходимых потребностей и реальных возможностей.

2.1.2 Декомпозиционный анализ задачи создания объекта

Потребности и цели создания объекта, структуризация целей и предполагаемых задач, решение которых ведет к достижению этих целей, формирует общее представление об объекте. Анализ объекта на втором этапе осуществляется путем декомпозиции поставленных задач в пространстве, в основном, не метрических структурных характеристик, обусловленных требованиями к объекту. Результатом такого анализа является декомпозиционная схема, при построении которой исходят из следующих двух положений:

Во-первых, декомпозиция осуществляется неформально и на первом уровне разбиения задачи, исходя из назначения и потребности объекта, определяются основные направления, формирующих концепцию его строения в виде множества структурных характеристик Х_, образующих n блоков 1-го уровня декомпозиции.

Во-вторых, для каждой области (свойства) Х первого уровня на втором уровне декомпозиции формируются множества альтернатив Х Х, выбираемым на основе анализа известных решений.

Построенная на основе принципов и правил декомпозиции, любая декомпозиционная схема является n - мерным поисковым пространством Rⁿ={ Х }, в котором каждое решение представлено вектором xRⁿ, являющимся множеством из набора альтернатив Х вида:

X = { Х₁, …, Х_i, …, Х_n }.

Геометрической интерпретацией Rn является его развертка на плоскость, состоящая из матричных блоков, образованных пересечением всех блоков 1-го уровня декомпозиции и альтернатив, образующих клетки матриц:

R_B = n ( n-1 ) /2.

Общее количество вариантов структуры N определяется:

N = m₁ m ₂ … m _n,

где m₁ - количество альтернатив реализации первого признака.

2.2 Синтез структуры станка 1П426ДФ3 с поворотным патроном

Таблица 2.1 Декомпозиционная схема анализа задачи формирования структуры станка 1П426ДФ3 с поворотным патроном.

Первый уровень декомпозиции	Второй уровень декомпозиции
X1	Выполняемые операции и расширение возможностей		Токарная
			Сверлильно-фрезерно-расточная
			Абразивным инструментом
			Совмещение токарных со сверл-фрез-расточными
X2	Положение заготовки (объекта) в процессе обработки		Неподвижна
			Перемещается линейно или по окружности в одной плоскости
			То же в двух плоскостях
			Вращается вокруг одной оси
			Вращаясь, поворачивается, например, на угол кратный 90о вокруг оси вращения
X3	Количество рабочих органов (шпинделей)		Один
			Два
			Несколько, работающих последовательно
			Несколько, работающих параллельно
X4	Расположение осей рабочих органов		Горизонтально
			Вертикально
			Горизонтально и вертикально
			Изменяется при настройке или в прцессе работы
X5	Количество позиций объекта, в том числе добавленных для расширения технологических возможностей		Одна
			Две параллельно
			Две последовательно
			Несколько параллельных
			Несколько последовательных
			Несколько параллельно-последовательных
X6	Смена инструмента (инструментальной среды)		Без смены инструмента
			С помощью револьверной головки
			С помощью манипулятора из многоместного магазина
			Из магазина перемещающегося линейно
X7	Накопительная система заготовок (деталей)		Без накопителя
			Тактовый стол с единичными заготовками
			Тактовый стол с многоместными поддонами
			Многоуровневый конвейер постоянно движущийся
			Рольганг, стеллаж, поддон
X8	Загрузочное устройство		Отсутствует
			Манипулятор, встроенный в станок
			Манипулятор цикловой отдельный
			Промышленный робот с ПУ
			Манипулятор, работающий с постоянно движущимся конвейером
X9	Контроль параметров изделий (деталей)		Не контролируется автоматически
			Активный контроль (в процессе обработки)
			Измерительная система, работающая по программе станка
			Автоматическая измерительная система (вне агрегата)
X10	Устройство управления станком		УЧПУ
			Устройство циклового ПУ
			Программируемый контроллер
Х11	Тип зажимного устройства		Гидровлический
			С помощью револьверной головки
			Электро-механисеский
X12	Устройство управления положением вращающейся детали (движущегося объекта)		Отсутствует
			Механоэлектронное типа «имитатор положения объекта»
			Механоэлектронное со счетом цикла поворотов
			Оптоэлектронное

Пусть на основании исходных данных (задания) из декомпозиционной схемы выбраны три целевых условия: ,,

Оценки целевых условий

Таблица 2.2

	0,25	0,4	0,32

Табл. 2.3 Результаты определения значений оценок при выборе условий- ограничений

		Код	Значение	Код	Значение	Код	Значение
X3		3	0,4	2	0,0875	2	0,0625
		1	0	2	0,0875	2	0,0625
		3	0	2	0,0875	2	0,0625
		3	0	2	0,0875	2	0,0625
X4		2	0,4	3	0,0875	2	0,0625
		2	0	1	0,0875	2	0,0625
		2	0	3	0,0875	2	0,0625
		2	0	3	0,0875	2	0,0625
X5		2	0,4	3	0,058	2	0,042
		2	0	3	0,058	2	0,042
		2	0	3	0,058	2	0,042
		2	0	1	0,058	2	0,042
		2	0	3	0,058	2	0,042
		2	0	3	0,058	2	0,042
X6		3	0,13	2	0,116	2	0,083
		1	0,13	2	0,116	2	0,083
		3	0,13	2	0,116	2	0,083
X7		2	0	2	0,07	1	0,05
		2	0	2	0,07	3	0,05
		2	0	2	0,07	3	0,05
		2	0	2	0,07	3	0,05
		2	0,4	2	0,07	3	0,05
X8		2	0	2	0,07	1	0,05
		2	0	2	0,07	3	0,05
		2	0,4	2	0,07	3	0,05
		2	0	2	0,07	3	0,05
		2	0	2	0,07	3	0,05
X10		2	0,13	2	0,116	1	0
		2	0,13	2	0,116	3	0,25
		2	0,13	2	0,116	3	0
X12		2	0,1	2	0,0875	3	0,25
		2	0,1	2	0,0875	3	0
		2	0,1	2	0,0875	3	0
		2	0,1	2	0,0875	1	0

2.3 Проектирование поворотного патрона

Поворотный механизм представляет собой два кинематически связанных посредством реечной шестерни клиновых толкателя, воздействующих на четырехгранник цапфы поворотного звена, несущей обрабатываемую деталь. Для обеспечения возможности самоцентрирования заготовки в базирующих элементах поворотного патрона создано синхронное в радиальном направлении перемещение несущих их кулачков, в одном из которых размещен повортный механизм.

Разработана гамма поворотных патронов. Исходная размерная характеристика гаммы - наружный диаметр патрона. В патронах гаммы могут обрабатываться детали с наибольшей длинной 180…450 мм и диаметром 40…200 мм. Поворотный патрон выполняется либо с клиновым, либо с винтовым устройством зажима (винтовое устройство обеспечивает большой ход кулачков патрона).

Для реализации метода многосторонней обработки из разработанной гаммы выбирается поворотный патрон, соответствующий размерам обрабатываемой детали и условиям ее закрепления. Тип привода (гидравлический, пневматический, электромеханический) зависит от оснащенности станка, гидросистемой. При наличии заводской пневмосети возможна установка пневмопривода. Электромеханическими приводамми оснащаются поворотные патроны с винтовыми устройствами.

Таблица 2.4. Основные параметры поворотных патронов.

Гидро- и пневмопривод представляют собой вращающихся совмещенный цилиндр, предназначенный для закрепления и поворота детали в патроне, установленный на заднем конце шпинделя. Электромеханический привод зажима детали крепится на шпиндельной бабке станка в непосредственной близости с патроном. Пневмопривод поворота детали в патроне с винтовым устройством зажима крепится также на заднем конце шпинделя станка.

Автоматическая система управления положением детали при многосторонней обработке выполняетс следующие функции:

1. обеспечивает цикл поворота детали на фиксированный угол 90°;

2. формирует и осуществляет несколько последовательных циклов поворота детали на заданнй угол (через 90°) для многократного ввода поверхностей детали в зону обработки;

3. обеспечивает прямой и непрерывный контроль положения обробатываемой детали в устройстве поворота.

2.3.1 Принципы построения поворотного устройства

В основу конструкции поворотного устройства положен полученный в результате структурного синтеза принцип встречно-попутного поворота четырехгранника, позволяющий разместить устройство в одном радиально-подвижном кулачке. Кулачок, в котором размещен механизм, установлен в Т-образном пазу корпуса поворотного патрона. В нем смонтированы поворотная цапфа, несущая базирующие элементы для установки детали, снабженная четырехгранником. и толкатели. кинематически связанные между собой шестерней.

В цилиндрических расточках кулачков установлены накладки, взаимодействующие с клиновым ползуном зажима, соединенным в свою очередь с приводом. Накладки изготавливаются из высоколегированной цементуемой стали. Составная конструкция кулачков упрощает их изготовление и повышает надежность конструкции поворотного патрона.

Ползун зажима размещен в центральной расточке корпуса патрона. Непосредственно в ползуне зажима размещен ползун поворота, взаимодействующий с шестерней механизма поворота. Посредством перемещения ползунов зажима и поворота осуществляется закрепление детали в поворотном патроне и ее поворот на заданный, кратный 90° угол.

Установка патрона на шпиндель станка осуществляется посредством планшайбы, разрабатываемой для конкретного станка.

Поворот детали на угол кратный 90°, зажатой в кулочках патрона, осуществляется поворотным механизмом, размещенным в расточках одного из кулачков и содержащем следующие элементы:

Рис. 2.1 Конструктивно-структурная схема автоматического комплекса многосторонней обработки

- цапфа поворотная 12 (см. лист 6 графической части), на которой закреплены элементы базирования заготовки;

- зубчатые рейки 13 и 14 (толкатели), установленные по обеим сторонам цапфы поворота;

- зубчатое колесо 15, связывающее рейки.

Ведущий толкатель соединен с приводом через ползун 7 поворотного патрона и тягу привода. Поворотная цапфа снабжена четырехгранником квадратного сечения. На толкателях выполнены скосы. Рабочий скос ведущего толкателя 14 выполнен под углом б, близким к самотормозящему, а рабочий скос ведомого толкателя 13 под углом б₂.

Поворот детали на 90° осуществляется за два полуцикла (рис.2.2). В исходном положении поворотная цапфа зафиксирована за грань четырехгранника скосом толкателя 14, на который действует усилие, передаваемое приводом. Толкатель 13 в первом полуцикле поворота отводится от четырехгранника, а толкатель 14, перемещающийся от реечного зубчатого колеса 15, воздействует на ребро четырехгранника и поворачивает цапфу на угол ц₁ = б₁ + б₂. Во время второго полуцикла толкатели возвращаются в

Рис. 2.2 Схема поворота детали на 90°:

а) первый полуцикл поворота

б) второй полуцикл поворота

При этом ведущий упирается в грань четырехгранника, поворачивает цапфу на угол ц₂ = 90° - ц₁ и фиксирует ее за следующую грань.

Поворот детали может быть осуществлен как при неподвижном, так и при вращающемся шпинделе.

Определение усилия зажима детали в поворотном патроне с клиновым устройством зажима

Усилие, развиваемое гидравлическим или пневматическим приводом определяется из выражения:

Р = р*(D²-d²)*с*з/4,

где D - диаметр поршня; d - диаметр штока; р - давление масла или воздуха (принимается 2,5 - 6,3 МПа; 0,4 - 0,6 МПа соответственно); з - коэффициент, учитывающий потери на трение (з принимается 0,85 - 0,9).

Усилие зажима Q детали, развиваемое клиновым устройством, находится из выражения

где б - угол скоса клина; ц - угол трения, ц = arctgf; f -коэффициент трения (0,1 - 0,15).

После соответствующих подстановок получаем выражение для определения усилия зажима

Р_з=22000/(1+1*3*(1/1,4))=18121,911Н/мм²

Расчет усилия поворота детали.

Усилие определяется при первом полуцикле поворота в тот момент, когда ведущий толкатель, расфиксировав цапфу поворота, отходит назад, а второй толкатель находит своим скосом на ребро четырехгранника.

При повороте зажатой в патроне детали привод преодолевает момент трения, возникающий в подшипниках поворотного устройства, и трение между скосом толкателя и четырехгранником цапфы поворота. Некоторыми потерями на трение в поворотном устройстве пренебрегаем.

Выражение для расчета усилия поворота детали имеет вид

P_пов=302кгс/см²

В качестве привода для зажима и поворота детали выбираем 2 пневмоцилиндра. Это связано с тем, что на станке имеется пневмооборудование и для питания этих цилиндров не нужно включение в состав станка дополнительной гидростанции. Давление необходимое для нормального функционирования равняется 0,4-0,6 МПа и обеспечивается общезаводской пневмосистемой.

Для правильной работы поворотного патрона, возникает необходимость передавать устройству ЧПУ данные о положении детали, в какой из 4 позиций она находится. Решение этой проблемы достигается путем создания механоэлектронного устройства типа «имитатор положения объекта». Схема такого устройства представлена на рисунке 2.3.

Имитатор положения состоит из 4 бесконтактных датчиков расположенных на неподвижном диске, вала с установленными на нем диском с концентратором массы и цапфы и штангой соединенной с поршнем пневмоцилиндра поворота детали. Имитатор положения устанавливается на заднем конце шпинделя или пневмоцилиндра. Принцип работы имитатора положения заключается в том, что при повороте детали пневмоцилиндр поворота совершает возвратно-поступательное рабочее перемещение, за счет этого перемещения штанга, соединенная с поршнем цилиндра так же совершает данное перемещение и в ходе его, приходя в соприкосновение с цапфой вала приводит к повороту 4х гранной цапфы на угол 90⁰.

Рис. 2.3 Схема расположения имитатора положения.

Диск также поворачивается на угол равный 90⁰, и концентрация массы располагается в непосредственной близости от одного из 4 бесконтактных датчиков, при этом на выходе с имитатора положения мы будем иметь 4 цифровых сигнала, 3 - логических “0” и 1 - логическую “1”. Таким образом, устройство ЧПУ будет знать в каком из возможных положений находится обрабатываемая деталь, что в свою очередь позволяет обрабатывать деталь с большим числом переходов.

2.3.2 Расчет задвижки клиновой

Исходные данные:

- условный проход;

- условное давление;

- наружный диаметр уплотнения;

- внутренний диаметр уплотнения;

Резьба Tr 16x4LH-8c;

Условие - одностороннее гарантированное уплотнение.

Определение крутящего момента и усилия на маховике, необходимых для закрывания задвижки.

Находим усилие необходимое для закрытия задвижки:

,

где - усилие необходимое для уплотнения;

- усилие давления среды;

- угол клина, = 5?;

- коэффициент трения между кольцами и клином, =0,3 (для углеродистой стали);

;

- вес подвижных частей клина, =20Н.

Рассчитываем :

Определяем момент на шпинделе необходимый для закрывания задвижки:

,

где - момент в резьбе;

- момент в сальнике;

- момент в бурте (подшипнике).

Находим момент в резьбе по формуле:

- коэффициент трения в резьбе,

средний диаметр резьбы,

S - площадь сечения шпинделя,

где - усилие вдоль шпинделя,

- усилие необходимое для уплотнения,

- усилие давления среды выталкивающее шпиндель из седел,

Т - сила трения в резьбе.

известно находим неизвестные и Т

Тогда

Определяем момент трения в сальнике:

Находим момент трения в бурте:

=0,01

=35мм, тогда

Общий момент получается

Момент на маховике необходимый для закрывания задвижки определяется из следующей формулы:

где i - передаточное число редуктора принимаем равное 63,

з - КПД редуктора принимаем равное 0,77 тогда

Усилие на маховике необходимое для закрытия задвижки

- диаметр маховика, =200мм.

Расчет на открытие задвижки.

Находим усилие необходимое для открытия задвижки:

Определяем момент на шпинделе необходимый для открывания задвижки:



Момент на маховике необходимый для открывания задвижки:

Усилие на маховике необходимое для открытия задвижки

2.4 Моделирование элементов комплекса многосторонней обработки

Условием работы поворотного устройства в первом полуцикле поворота детали является обеспечение угла давления , большего угла трения

(где f-- коэффициент трения), а также своевременный отвод толкателя, фиксирующего цапфу в первоначальном положении. При втором полуцикле поворота необходимо обеспечить зацепление толкателем четырехгранника.

При проектировании параметров a, , h задаются или могут быть вычислены аналитическим путем. Для обеспечения работоспособности поворотного устройства недостающие его параметры и L следует также определить аналитическим путем.

Очевидно, что при уменьшении угла толкателя, угол давления будет увеличиваться, однако при этом уменьшается величина зацепления ведущим толкателя четырехгранника, Поэтому нужно стремится к максимальному углу давления при минимальной величине h. Величина угла скоса ведущего толкателя может быть принята , близким к самотормозящему.

Поворот четырехгранника в первом полуцикле возможен при:

где а -- сторона квадрата четырехгранника.

Следовательно, для поворота в первом полуцикле углы давления и трения должны соотноситься .

Согласно схеме поворота детали на 90° определяется угол давления, наибольшее значение которого вычисляется по формуле:

где и -- углы скоса соответственно ведущего и ведомого толкателя.

Для обеспечения наиболее благоприятных условий начала встречного поворота эксцентриситет е должен иметь наибольшее возможно допустимое значение:

.

Полученная зависимость показывает, что для обеспечения лучшей работоспособности механизма необходимо минимизировать сумму углов скосов толкателей. При этом угол скоса a_t ведущего толкателя, фиксирующего поворотную цапфу путем заклинивания ее в корпус кулачка, должен быть близок по величине к самотормозящему и принят равным 9°. Следовательно, после этого нужно определить минимальное значение угла скоса <х₂ ведомого толкателя.

Минимальное значение угла а₂ определяется из следующего выражения:

где-- минимально допустимое значение величины зацепления грани четырехгранника ребром толкателя, образованным его торцом и скосом.

При конструктивно установленном = 23 мм согласно выражению угол скоса ведомого толкателя 16°. При таких значениях углов скоса и согласно выражению эксцентриситет е в момент начала поворота, а затем при повороте четырехгранника в результате воздействия на него ведомого толкателя возрастает до .

Выбранные на основании приведенных расчетов параметры обеспечивают надежную работу механизма в автоматическом режиме. За цикл срабатывания механизма вращающаяся деталь поворачивается на 90°: на первом полуцикле угол ее поворота = 20°. на втором -- = 70°.

Для поворота детали на угол, кратный . необходимо совершить несколько циклов.

Таблица 2.5 Результат параметрического синтеза механизма поворота вращающейся детали

Параметр	Обозначения	Значение параметра
Диаметр поворотного патрона	D	315
Сторона квадрата четырехгранника поворотного звена	a	0,1D
Коэффициент трения между толкателем и четырехгранником	??	0.1
Угол трения	??	5°43ґ
Угол давления	??	25°
Эксцентриситет	e	0.3a
Угол скоса ведущего толкателя	???	9°
Угол скоса ведомого толкателя	???	16°
Угол поворота в первом полуцикле	???	20°
Угол поворота во втором полуцикле	???	70°
Величина зацепления грани четырехгранника ведущим толкателем	h	0.05a
Ход толкателя	L	1.15a

3. Информационное и программное обеспечение автоматизируемого процесса

Новейшие достижения в области микроэлектроники позволили создать надежные устройства ЧПУ NC - 110 и NC - 210, обеспечивающие управление широким спектром промышленного оборудования.

Заменим имеющееся на станке устройство числового программного управления NC - 31 более новым NC - 210 той же фирмы (ООО «БАЛТ - СИСТЕМ» г. Санкт - Петербург).

Это малогабаритное, моноблочное устройство, в котором соединены в единое целое и блок управления, и пульт оператора, и станочный пульт, предназначено для управления станками простой конфигурации с количеством осей не более 4-х и дискретными входами-выходами не более 64/48. Заложенный в конструкции принцип компактности сделал возможным совмещение в одном устройстве высокой надежности, удобства в работе, хороших возможностей и низкой цены.

Таблица 3.1 Основные технические характеристики:

Общие
число управляемых осей	до 4 + шпиндель
кол-во входов/выходов	до 64/48
размеры	432x340x140 мм
Пульт оператора
дисплей	TFT 10,4"
клавиатура	герметизированная с тактильным эффектом
экранные меню	горизонтальные (текстовые) и вертикальные (графические), свободно программируемые
селекторы JOG, F%, S%, MODE
Блок управления
Процессор	133 МГц
Память УЧПУ для данных и программ пользователя	не менее 6 Мб
Интерфейсы	FDD, HDD, RS232, Ethernet (опция)
Модуль датчиков и ЦАП 4 оси	4 энкодера + 5 ЦАП 14 бит

К системе могут прилагаться следующие дополнительные устройства:

Таблица 3.2

Выносные модули релейной коммутации с индикацией
Кабели связи с релейными модулями
Программа связи с компьютером
Электронный штурвал
Выносной станочный пульт

3.1 Информационная структура системы управления

Режимы работы выбираются клавишами со станочной панели. Они могут быть:

* выполнение кадров, введенных с клавиатуры («MDI»);

* выполнение выбранной программы в автоматическом режиме («AUTO»);

* выполнение выбранной программы по кадрам («STEP»);

* выполнение безразмерных ручных перемещений («MANU»);

* выполнение фиксированных ручных перемещений («MANJ»);

* автоматический выход на профиль и продолжение работы после прерывания цикла обработки, за которым следовали ручные перемещения («PROF»);

* выход в «0» станка («HOME»).

При режиме «MDI» оператор с помощью кнопок вводит команды и выводит их на исполнение.

В режиме «AUTO» станок работает по управляющей программе, введенной в УЧПУ. При работе станка по управляющей программе функции оператора сводятся к следующим: установить заготовку в патроне, запустить программу обработки, открепить и снять обработанную деталь.

В режиме «STEP» - обработка ведется по уже введенной программе, но оператор подтверждает выполнение каждого следующего кадра программы.

В режиме «MANU» перемещения рабочих органов станка производится нажатием и удерживанием соответственной клавиши, предел перемещения определяет оператор. Перемещение прекращается при прекращении нажатия клавиши.

В режиме «MANJ» оператор задает точные координаты перемещения с помощью цифровых клавиш.

Пульт управления включает пульт оператора и станочный пульт/консоль, которые объединяют в себе все функции типа ввода/вывода в системе Оператор - УЧПУ - Станок.

Пульт включает алфавитно-цифровую клавиатуру, жидкокристаллический дисплей TFT 10.4”, замок с ключом для включения/выключения питания УЧПУ.

Станочный пульт/консоль включает корректоры для изменения скорости подачи, вращения шпинделя, для выбора направления и скорости ручных перемещений, а также клавиши/переключатель для выбора режима работы, кнопки «СТОП» и «ПУСК». В станочный пульт дополнительно могут быть установлены свободно программируемые клавиши и штурвал ручных перемещений.

4. Технологическое обеспечение автоматизируемого процесса

4.1 Составление маршрутного техпроцесса

При проектировании маршрутной технологии решаются и обосновываются следующие вопросы:

- выбор технологических баз, обеспечивающих требуемую точность и качество обрабатываемых поверхностей, рациональную конструкцию станочных приспособлений, максимальную производительность механической обработки;

- выбор средств технологического оснащения операций (оборудование, приспособления, инструмент);

- определение содержания и последовательности выполнения технологических операций.

Технологический маршрут изготовления корпуса, представлен на маршрутной карте (см. приложение комплект документов на технологический процесс).

4.2 Расчет режимов резания

Исходными данными для определения режимов резания являются: материал обрабатываемой заготовки и его физико-механические свойства, размеры и геометрическая форма обрабатываемой поверхности, материал, геометрические параметры режущей части инструмента, тип и характеристики оборудования.

Режимы резания существенно влияют на точность и качество обрабатываемой поверхности, производительность и себестоимость обработки.

Методика расчета режимов резания проводится на основе нормативов и рекомендаций фирмы Sandvik Coromant. Также ниже будет приведен расчет режимов на основе «Общемашиностроительных нормативов» для стандартного инструмента.

4.2.1 Расчет режимов резания по нормативам фирмы Sandvik Coromant

Определим режимы резания для операции поперечного чернового точения (010).

По рекомендациям выбираем к какому типу материала относится материал из которого изготовлена заготовка. В нашем случае клин изготавливается литьем в песчаные формы по 2-ой степени точности из стали 20Л, которая соответствует группе Р.

Группа Р, согласно рекомендациям, может обрабатываться твердыми сплавами с покрытием семейства СТ, далее для чернового точения были выбраны пластины из твердого сплава: СТ35 CNMM 19 06 16-86.

Из нормативов для данных пластин выбираем значения подачи в мм/об и скорости резания в м/мин:

для чернового точения эти значения соответственно равны: 0,2; 120.

Исходя из скорости резания, рассчитаем число оборотов вращения шпинделя по формуле:

,(4.1)

где - обрабатываемый диаметр, 346 мм;

об/мин;

принимаем об/мин;

Определим силу резания при обработке:

,(4.2)

где С_р - постоянный коэффициент, С_р =204;

x, y, n - показатели степени для конкретных (расчетных) условий обработки, 1, 0.75, 0;

kp - поправочный коэффициент, учитывающий фактические условия резания, 0,825;

Н;

Крутящий момент найдем из уравнения:

;(4.3)

Нм;

Тогда мощность резания будет равна:

, (4.4)

кВт;

Что меньше допустимого значения 17 кВт.

Режимы резания для других переходов и операций рассчитываются аналогично.

(1) 4.2.2 Расчет режимов резания на основе «Общемашиностроительных нормативов»

Для сравнения определим режимы резания для операции поперечного чернового точения (010).

Для токарной обработки используем проходные упорные резцы с пластинами из твердого сплава ГОСТ 18879-73. Для обработки используем пластины из твердого сплава Т5К10 с покрытием ГОСТ 3882-74.

Обработку производим при установке детали в токарное приспособление.

Величину стойкости инструмента в минутах времени резания, обеспечивающую режим получения наименьшей себестоимости обработки на данном станке, можно получить по формуле:

, (4.5)

В то же время влияние этих параметров на тепловой режим, температуры резания и, следовательно, интенсивность износа режущего инструмента оказывается различным. Меньше всего на изменения температуры резания и интенсивности износа инструмента влияет изменение глубины резания. Затем по степени влияния на эти характеристики идет подача, и наибольшее влияние на изменение этих характеристик процесса резания оказывает изменение скорости резания.

Поэтому при назначении режимов резания выгоднее всего с позиции производительности обработки работать как можно с большей глубиной резания. Глубину резания выгодно увеличивать даже за счет уменьшения подачи и скорости резания.

На основании вышеизложенного общий принцип расчета на ...