double arrow

Этапы и методологические особенности проектирования автоматизированного технологического процесса


 

Принципы проектирования технологических процессов для автоматизированного производства остаются, в принципе, те же, что и для неавтоматизированного. В ряде случаев, особенно при осуществлении на предприятии частичной автоматизации, практически нельзя однозначно отнести это производство к одному или другому виду, так как в технологии применяются наряду с автоматами и полуавтоматами также и станки с ручным управлением.

Более сильно выражены методологические различия в проектировании технологических процессов для условий нового или реконструкции действующего машиностроительного производства. В первом случае в технологическом процессе должны быть сконцентрированы наиболее прогрессивные и вместе с тем уже хорошо апробированные технологические решения, современное высокопроизводительное оборудование. Именно принятый технологический процесс служит основой для создания конструкторской, строительной, энергетической и организационной частей проекта всего нового автоматизированного производства.

Более специфично технологическое проектирование при реконструкции действующего машиностроительного производства. Если осуществляется полная реконструкция с остановкой производства, то действия технологов ограничены необходимостью использования существующих производственных площадей; максимального привлечения имеющегося в наличии оборудования, оснастки, инструмента; учета специфически сложившейся организации труда на производстве и других местных условий. При проектировании автоматизированного технологического процесса для частично реконструируемого производства без его остановки (и без снижения объемов выпуска) задача технологов обычно заключается во внедрении автоматического оборудования на отдельных операциях или группе операций, которые временно исполняются на дублирующем оборудовании. В таких условиях может быть осуществлена только частичная автоматизация, не затрагивающая при этом коренным образом имеющейся, отлаженной структуры производства.




Имеются и некоторые особенности проектирования технологических процессов для автоматизированных производств различных типов - серийного или массового. Это обстоятельство связано с оптимальной эффективностью в них различных видов автоматизированного технологического оборудования - станков с ЧПУ, ГПС, полуавтоматов и автоматов, агрегатных станков и автоматических линий, автолиний из специального оборудования, роторных и роторно-конвейерных линий (рис. 1.8).

В общем случае проектирование технологического процесса осуществляется в несколько этапов (рис. 1.9). Прежде всего необходимо провести информационный конструктивно-технологический анализ изделий-аналогов и их производств. На этом этапе важно исследовать конструкции аналогов по признакам сходства конфигурации, функционального назначения, а также технологию их производства от метода получения заготовки до технико-экономических показателей. При проведении информационного анализа не последнюю роль играет количество рассмотренных аналогов.



 

 

 

Рис. 1.9. Структурная схема этапов разработки технологического процесса для автоматизированного производства (начало).

 

 

Рис. 1.9. Структурная схема этапов разработки технологического процесса для автоматизированного производства (окончание).

 

Прежде чем приступить к непосредственному проектированию технологического процесса следует провести анализ технологичности конструкции детали (изделия), дать оценку степени ее подготовленности к автоматизированному производству и подтвердить технико-экономическим анализом ожидаемых (расчетных) показателей эффективность осуществления автоматизации. Эти два этапа (2 и 3 на рис. 1.9) целесообразно проводить параллельно. Все остальные этапы осуществляются только после получения положительных результатов технико-экономического анализа.



Создание автоматизированного технологического процесса, впрочем как и неавтоматизированного, начинается с проектирования заготовки: выбора способа ее получения, черновых баз, расчета или назначения припусков, подготовки чертежа с необходимыми техническими требованиями. Единственная особенность этого этапа для автоматизированного производства заключается в выборе баз заготовки с учетом требований точности ее ориентации в пространстве при манипулировании с помощью автоматических устройств (транспортирование, установка-съем, переориентация и т.п.). Впрочем этот аспект необходимо постоянно учитывать на всех дальнейших стадиях разработки при рассмотрении вопросов базирования. Таким образом заготовка (деталь) на всех автоматических операциях механической обработки или сборки должна содержать две группы взаимосвязанных базовых поверхностей для технологического базирования и автоматического манипулирования, имеющих общие базы - оси, плоскости и точки ориентации.

Собственно проектирование автоматизированного технологического процесса механической обработки начинается с выделения в обрабатываемой детали геометрически простых поверхностей, которые могут быть формообразованы с помощью элементарных приемов обработки резанием одним инструментом, например, точением, сверлением, фрезерованием, зенкерованием, шлифованием и т.д. Таким образом, в результате проведенного дифференцирования технологического процесса, формируется определенная совокупность выполняемых над деталью элементарных операций. Например, достаточно простая деталь на рис. 1.10 содержит 15 элементарных поверхностей, которые могут быть обработаны за соответствующее количество элементарных операций точения (поверхности 1...11), резьбонарезания (12), сверления (13), зенкования (14) и фрезерования (15). То есть в простейшем случае наблюдается равенство количеств элементарных поверхностей и элементарных операций их обработки. Однако в большинстве реальных деталей для достижения требуемых по чертежу показателей качества - точности и шероховатости, одна элементарная поверхность требует последовательного выполнения (иногда разделенного промежутком времени) нескольких элементарных операций. Практически количество элементарных операций в большинстве случаев превышает количество обрабатываемых поверхностей. Аналогичная картина наблюдается в случае, если по чертежу детали требуется изменение ее физико-механических свойств, например, с применением термической обработки. Тогда весь дифференцированный технологический процесс разделяется на две части - черновую до термообработки и чистовую после. Если та же деталь на рис. 1.10 будет иметь требования к шероховатости поверхностей 1 и 3 соответственно не хуже Ra 0,32 и Rа 0,16, то появятся еще две элементарных операции: круглошлифовальная (поверхность 3) и торцешлифовальная или плоскошлифовальная (пов. 1).

При дифференцировании технологического процесса следует принимать для выполнения элементарных операций наиболее прогрессивные способы обработки, инструменты и режимы, обеспечивающие максимальную отдачу по производительности, характеристикам точности и шероховатости обработанных поверхностей. Это является одним из необходимых условий для автоматизированного технологического процесса. Так, например, при точении заготовок из конструкционных сталей с относительно большими (2...6 мм) припусками прогрессивно применение токарных резцов с механическим креплением сменных многогранных пластин из твердых сплавов с износостойкими одно- и многослойными покрытиями, допускающими скорость резания до 200...300 м/мин. При использовании в автоматизированном производстве точных заготовок с припусками до 1 мм из чугунов и сталей можно достигнуть скоростей резания 500...800 м/мин за счет сменных многогранных пластин из режущей керамики и композитов.

 

 

 

Рис. 1.10. Эскиз детали «Штуцер»к примеру дифференцирования технологического процесса на элементарные операции.

 

Таким образом каждая элементарная операция дифференцированного технологического процесса приобретает количественные характеристики - режимы резания и время выполнения t0i.

Следующий важный этап проектирования - это концентрация элементарных операций дифференцированного технологического процесса на автоматических и полуавтоматических рабочих машинах (станках), то есть создание реальных операций автоматизированного технологического процесса. На этом этапе, как правило, возникает необходимость синхронизации элементарных операций с целью обеспечения ритмичности работы автоматического технологического оборудования, особенно если речь идет об автоматической линии. Такую синхронизацию осуществляют двумя методами.

1) Если колебания времен t0i на каждой элементарной i-той операции невелики, то их можно выравнивать за счет корректировки режимов обработки в пределах нормативных границ.

2) Если в дифференцированном техпроцессе имеют место одна или несколько так называемых лимитирующих элементарных операций, продолжительность выполнения которых в несколько раз превосходит среднее значение, то прибегают к одному из двух приемов:

2.1) разделяют лимитирующую элементарную обрабатываемую поверхность на несколько участков с меньшей длиной рабочего хода инструментов, то есть увеличивают степень дифференцирования технологического процесса. При этом для обработки необходим уже не один инструмент, а несколько однотипных инструментов;

2.2) анализируют возможность замены метода обработки, типа инструмента или инструментального материала на лимитирующей элементарной операции (например, замена при сверлении отверстия 13 сверла из быстрорежущей стали на твердосплавное или метода многопроходного точения резьбы 12 на однопроходный).

Синхронизация элементарных операций автоматизированного технологического процесса может осуществляться на этапе концентрации их на станках-автоматах неоднократно с целью выравнивания циклов работы автоматического технологического оборудования.

Концентрация элементарных операций может быть последовательной, параллельной или смешанной (последовательно - параллельной) в зависимости от последовательности выполнения их на автоматическом технологическом оборудовании во времени.

Предельной является параллельная концентрация элементарных операций на одном технологическом автомате, в котором реализованы все рабочие и вспомогательные движения, необходимые для одновременного формообразования всех поверхностей детали. Но совместить все элементарные операции во времени практически невозможно даже для очень простой детали. Действительно, в рассматриваемом примере на рис. 1.10 нельзя одновременно точить ступень 9 и нарезать резьбу 12, точить цилиндр 5 и фрезеровать лыску 15, сверлить отверстие 13 и зенковать фаску 14. Поэтому, при выполнении обработки на однопозиционном автомате совмещение элементарных операций во времени будет частичным, то есть возможна только последовательная или последовательно-параллельная концентрация.

Другим граничным случаем является осуществление каждой элементарной операции на автономном технологическом оборудовании. В этом случае количество такого оборудования будет достаточно велико и равно числу элементарных операций, выполняемых параллельно. Однако этот граничный вариант концентрации операций (фактически концентрация равна нулю) неприемлем для автоматизированного производства, так как очень большое количество рабочих, вспомогательных механизмов и устройств автоматизации снижает надежность технологического процесса и точность обработки из-за многократного перебазирования детали. Серьезные проблемы возникают и с системой управления столь дифференцированного технологического процесса.

Таким образом, существует оптимальная концентрация элементарных операций на нескольких станках-автоматах. При этом каждый автомат выполняет вполне законченную операцию (уже не элементарную!) автоматизированного технологического процесса с меньшим временем, чем однопозиционный автомат, но с большим, чем при нулевой концентрации. Конструктивно такой автоматизированный технологический процесс может быть реализован и на одном многопозиционном автомате.

Достаточно наглядно демонстрируют влияние степени концентрации операций на производительность циклограммы работы однопозиционного и многопозиционного токарных автоматов при обработке детали «Штуцер», эскиз которой приведен на рис. 1.10.

На однопозиционном автомате (рис. 1.11а) предварительно формируется торец 11 подрезным резцом с поперечного суппорта Y3, причем цикл его работы частично совмещен с циклом другого поперечного суппорта Y2, на котором установлен фасонный резец, формообразующий группу поверхностей 2...10 (параллельная концентрация элементарных операций за счет сложного инструмента). Обработка отверстия и фаски возможны только последовательно двумя инструментами - сверлом и зенковкой, установленными в двух позициях Х2 и Х3 револьверной головки продольного суппорта автомата. Начало работы продольного суппорта с инструментом Х2 возможно только по окончании работы поперечного суппорта Y3 и освобождения рабочего пространства для сверла. Нарезание резьбы осуществляется прогрессивным однопроходным методом (например, самораскрывающейся резьбонарезной головкой) с продольного суппорта в позиции Х1. Начало работы резьбообразующего инструмента совпадает с окончанием работы фасонного резца (поперечный суппорт Y2) и зенковки (позиция Х3 продольного суппорта). Для выполнения элементарной операции фрезерования лыски необходима остановка и торможение шпинделя автомата, следовательно работа специального фрезерного суппорта Х4 (в виде специального приспособления, расширяющего технологические возможности токарного автомата) не может быть совмещена с работой ни одного из токарных суппортов. По этой же причине только последовательно за суппортом Х4 может работать поперечный суппорт Y1, формирующий торцовую поверхность 1 при отрезке готовой детали от прутковой заготовки. Таким образом продолжительность цикла составляет

 

Тц1 = t11+ t13+ t14+ t12+ t15+ t1.

 

На многопозиционном автомате или автоматической линии из шести автоматов (рис. 1.11б) формообразование производится параллельно в шести рабочих позициях и по завершении самой продолжительной элементарной операции (поз. 1) заготовка перемещается последовательно по всем рабочим позициям, проходя полную обработку. Производительность такого автомата определяется временем цикла лимитирующей элементарной операции

 

Тц2 = t2 << Тц1.

 

а

б

 

Рис. 1.11. Циклограммы работы однопозиционного и многопозиционного автомата (автоматической линии) при обработке детали «Штуцер» (см. эскиз рис. 1.10). (Х - поперечные суппорты, Y - продольные)

 

Следует отметить, что дифференцирование технологического процесса и концентрация элементарных операций являются основными методологическими отличиями при создании технологических процессов для автоматизированного производства, особенно крупносерийного и массового.

Проводимая далее оптимизация последовательности выполнения операций автоматизированного технологического процесса (маршрута) в значительной степени зависит от степени концентрации операций на автоматических технологических машинах. Чем выше такая концентрация и, соответственно, меньше общее количество операций автоматизированного техпроцесса, тем проще решение задачи оптимизации и наоборот. Оптимизация осуществляется, как правило, исходя из требований качества обрабатываемых деталей - точности размеров, формы и взаимного расположения поверхностей, шероховатости - на основе теории размерных связей, базирования, математической статистики и т.п. При этом вопросы оптимизации незначительно затрагивают производительность и такой важный экономический показатель как капитальное затраты на автоматизацию. Эти параметры целиком зависят от принятых в технологическом процессе методов обработки, инструментов, режимов резания, степени концентрации элементарных операций в реальные операции на конкретных станках-автоматах. Различная последовательность выполнения операций в автоматизированном технологическом процессе может косвенно повлиять на производительность и капитальные затраты за счет более или менее высокой сложности средств автоматизации вспомогательных переходов (транспортирование, ориентация, загрузка-выгрузка и т.д.), их надежности и стоимости.

Остальные этапы разработки технологического процесса автоматизированного производства практически не отличаются от аналогичных этапов при проектировании технологии неавтоматизированных производств.

 








Сейчас читают про: