4.6.2 Особенности проектирования технологических процессов для гпс

Организационно-технологической основой ГПС являются производствен­ные подразделения, специализированные для изготовления групп технологиче­ски однородных деталей или сборки технологически однородных сборочных единиц, т.е. функционирующие на основе групповой технологии, обладающей следующими основными свойствами:

• сквозная унификация конструкций изделий, технологии и организации как основа совершенствования системы технической подготовки производства;

• адаптивность, достигаемая заменой проектирования новой технологии и конструирования новых средств технологического оснащения, а также полной переналадки производства, на корректировку ранее разработан­ных технологических процессов, на конструирование сменных элемен­тов к имеющимся переналаживаемым приспособлениям и их модерниза­цию, а в конечном итоге на простую переналадку при выпуске нового изделия;

• специализация средств технологического оснащения для изготовления ограниченной номенклатуры изделий группы, а также технологической подготовки для проектирования рабочей документации на ограниченный перечень групп изделий.

Следует подчеркнуть, что организация группового производства из формы наиболее эффективной и целесообразной в условиях неавтоматизированного производства при создании ГПС превращается в необходимую.

Проектирование групповой технологии начинается с анализа деталей, вхо­дящих в производственную программу производственного подразделения, на­пример, цеха. При этом производится группирование деталей цеховой номенк­латуры для специализации производственных участков и группирование но­менклатуры деталей участка с формированием конструктивно-технологических групп (КТГ).

Формирование КТГ направлено на то, чтобы объединить детали, относя­щиеся к одинаковым технологическим типам, получить возможность выделить от каждого из них типового представителя или построить комплексную деталь, технология изготовления которой достаточно полно отражала бы технологию изготовления всех деталей, включенных в КТГ. В рамках КТГ должны решаться задачи по отработке конструкций деталей на технологичность, по унификации и типизации технических, технологических и организационных проектных решений.

Группирование позволяет сочетать универсальность выпуска технологиче­ски однородных изделий со специализацией производства. Группирование по­зволяет также выделить специализированные по типам изделий проектные под­разделения, для которых разработка алгоритмов и применение ЭВМ достигается просто, быстро и с наименьшими затратами. В связи с этим основой структу­ры является возможно более глубокая специализация проектных подразделений по обслуживанию специализированных ГПС.

Возможность быстрой реакции на новые требования технического про­гресса обеспечивает универсальная часть системы по всему циклу создания но­вого изделия.

По мере создания все более сложного универсального программного обеспе­чения и появления более автоматизированного универсального оборудования доля специальной части может уменьшиться. Однако начинать проектирование следует с выделения специальных частей для обеспечения быстрого создания ГПС.

Дальнейший анализ заготовок, обработка которых предполагается в ГПС, производится в следующей последовательности:

• анализ возможности унификации конструктивных элементов и парамет­ров деталей, подготовка предложений по отработке конструкций на технологичность;

• анализ возможности получения заготовок более прогрессивными методами формообразования в целях уменьшения трудоемкости механообра­ботки, расхода материалов, улучшения качества изделий и подготовка предложений по переводу технологии на прогрессивные методы получе­ния заготовок;

• анализ возможных изменений технологических процессов изготовления деталей - применения рациональных методов обработки и высокопроизводительного оборудования;

• выявление технологических и транспортных баз, возможности автомати­ческой ориентации, особенностей транспортирования и хранения загото­вок и деталей;

• анализ характеристик технологического оборудования, в том числе, пер­спективного.

Окончательный выбор объектов для создания ГПС производится на основе экономической оценки, позволяющей определить целесообразность автомати­зированной обработки заготовок.

ГПС для механической обработки заготовок имеют несколько типов ком­поновок.

Произвольная - с произвольным расположением оборудования. При нали­чии большого количества станков значительно усложняются и удлиняются транспортные маршруты.

Функциональная - при которой станки располагают по функциональному при­знаку так, чтобы заготовки последовательно проходили от начала до конца ГПС.

Модульная - при которой аналогичные операции параллельно выполняют­ся одинаковыми гибкими производственными модулями. Такая компоновка об­ладает определенными возможностями резервирования и при некоторых усло­виях может заменять функциональную.

Групповая - при которой каждая группа станков предназначена для обра­ботки определенной номенклатуры заготовок.

В ГПС входят не только станки, склады и транспортная система, но и обо­рудование для осуществления дополнительных операций, например, мойки, термообработки и удаления стружки. При проектировании ГПС необходимо учитывать и операции, которые следует проводить на отдельных участках. На­пример, перед установкой заготовки на приспособление-спутник необходимо обработать технологические базы. В идеальном варианте эти операции также следует выполнять в условиях в ГПС, но сейчас рациональнее использовать для этого имеющиеся фрезерные и сверлильные станки.

После обработки заготовок в ГПС может возникнуть необходимость в про­ведении некоторых дополнительных операций, например, закалки и шлифова­ния и т.п.

На нынешнем этапе развития ГПС не всегда может быть автоматизирован полный цикл обработки заготовок, а лишь часть технологического процесса.

В ряде случаев часть технологических операций обработки элементарных поверхностей выносится за пределы гибких участков или линий. К таким опе­рациям относится обработка редко встречающихся поверхностей или; обработка отдельных поверхностей при отсутствии автоматически действующего обору­дования.

Кроме того, за пределы ГАУ и ГАЛ могут быть вынесены операции, выполняемые на оборудовании, имеющем низкую загрузку в составе участка. При этом решается вопрос о повышении их загрузки путем организации межучаст­ковых (или межцеховых) коопераций.

Гибкая автоматизация механообработки затруднена вследствие ряда осо­бенностей, которые необходимо учитывать при проектировании:

• наличие большого количества стружки, особенно на черновых) операциях;

• большая протяженность технологических потоков;

• наличие сложной и точной оснастки, требующей установки заготовок с минимальными зазорами;

• большое количество относительно быстро изнашиваемого режущего ин­струмента, вызывающее необходимость в его автоматической поднастройке и принудительной замене,

• наличие многономенклатурного контрольно-измерительного инструмента;

• наличие большой и быстросменяемой номенклатуры вспомогательного оборудования и оснастки;

• наличие в технологическом процессе таких операций, как слесарные, разметочные, термические и т.п.

В отличии от традиционных производственных систем в условиях ГПС необходимо разрабатывать технологические процессы не только обработки заготовок, но и их установки и смены на станках и устройствах, транспортирования, контроля, мойки и др. Степень подробности технологических решений должна быть доведена до уровня подготовки отладки управляющих программ для обо­рудования.

При отработке конструкций деталей на ГПС на технологичность должны выполняться требования по технологичности не одной детали, а сочетание тре­бований к группе деталей. Основные требования к технологичности перечисле­ны ниже.

Детали должны иметь:

• сравнительно одинаковые габаритные размеры и материалы;

• сходство конструктивно-технологических параметров (одинаковые по форме и расположению поверхности для базирования и захвата);

• сходство технологических операций, применяемой оснастки и инструмента;

• явно выраженные базы и признаки ориентации, позволяющие организовать их транспортирование и складирование в ориентированном виде,

• должны занимать в пространстве стабильное положение, иметь минимальное количество различных устойчивых положений, а также ярко выраженных ориентирующих элементов.

Необходимо предусмотреть:

• возможность обработки максимального количества поверхностей за один установ;.

• для деталей, не имеющих явно выраженных баз, возможность их создания;

• исключения разнообразия размеров, резьб и допусков;

• исключение применения очень малых отверстий (использовать только в случае крайней необходимости);

• максимальную унификацию отдельных элементов обрабатываемых по­верхностей заготовок;

• наибольшую простоту геометрических форм контуров поверхности и, по возможности, близость к правильной геометрической;

• минимальное количество смен захватных устройств при переходе от ма­нипулирования от одного типа размера заготовок к другому.

При выборе или анализе метода получения исходных заготовок в первую очередь рассматриваются его возможности по обеспечению необходимой точ­ности, так как автоматическое манипулирование заготовками и их автоматиче­ская установи для обработки повышает требования к точности выполнения размеров заготовок и точности их формы. Особо выделяются требования к качеству черновых технологических баз и транспортных баз.

Эти поверхности для исходных заготовок должны иметь уменьшенные ук­лоны (1-2 rpaд). Смещение по линиям разъема для штампованных поковок и отливок должны быть минимальными. Повышенные требования предъявляются и к стабильности механических свойств материала. Каждая деталь характеризуется набором технических величин (материал, геометрия), определяющих технические требования и набором организационно-экономических показателей (объем выпуска, число деталей в партии), опреде­ляющих экономические и организационные требования в ГПС.

Анализ номенклатуры позволяет определить количество переналадок обо­рудования и оснастки, необходимые гибкость и производительность.

Вид исходных заготовок определяет конструкцию приемо-передающих устройств, ПР; материал заготовок определяет тип и конструкцию захватных устройств; масса заготовок и готовых деталей определяет грузоподъемность средств автоматизации и т.п.

При проектировании технологических процессов на основе анализа содер­жания выполняемых операций выбирается основное оборудование, тип станка, компоновка, размеры рабочей зоны и другие данные.

Окончательное определение состава оборудования и количества станков связано не только с выбором по наименьшей стоимости и максимальной произ­водительности, но и с учетом следующих основных факторов:

• возможности обработки многошпиндельными головками; параллельной обработки нескольких изделий или параллельной обработки нескольки­ми инструментами;

• наличие устройств для смены и накопления изделий или возможности использования таких устройств;

• наличие инструментального магазина достаточной емкости;

• возможность встройки в ГПС;

• возможности ограничения типов оборудования.

Следует применять однотипные станки с широкими технологическими возможностями.

Требование максимальной концентрации обработки за с продиктовано не только необходимостью обеспечения высокой то необходимостью уменьшения емкости пристаночных накопителей заготовок. При работе станка в автоматическом режиме достаточное основное время обра­ботки создает возможность обслуживания одним роботом нескольких станков.

При проектировании технологии и разработке участков и линий одним из рациональных решений в ГПС является наличие возможности отказа от син­хронизации работы оборудования между операциями (позициями) технологиче­ского процесса как элемента жесткой связи оборудования. Такое решение по­зволяет обеспечить:

• упрощение системы управления,

• повышение надежности за счет того, что выход из строя отдельного станка не ведет к простою (пока есть задел в накопителях в загрузочных позициях). Расчет объемов межоперационных заделов производятся с учетом вероятности возникновения отказов;

• возможность увеличения емкости накопителей обеспечением полной ав­тономности каждого ГПМ и его работой непосредственно со складом. Сложность ГПС делает важным предварительный расчетный анализ функ­ционирования, позволяющий оценить правильность основных решений. Такой анализ может быть проведен на основе моделирования.

В процессе проектирования технологического процесса обработки загото­вок с использованием ПР и разработки структуры РТУ и РТЛ определяются:

• состав и количество основного технологического оборудования;

• количество ПР;

• закрепление за каждым ПР определенного количества оборудования;

• место и способ передачи изделий между оборудованием и отдельными РТК, а также на вход и выход РТУ;

• компоновка ПР и их параметры, требуемое количество степеней под­вижности, необходимые размеры рабочей зоны, точность позициониро­вания, количество точек позиционирования, грузоподъемность;

• расположение технологического оборудования в производственных по­мещениях (планировка оборудования),

• параметры траекторий манипулирования, скорости и порядок перемеще­ния схватов по этим траекториям;

• алгоритм работы РТК;

• производительность РТК и ее сопоставление с требуемой.

В настоящее время станкостроение ориентируется на РТК для обработки определенных групп или классов заготовок. Такие РТК оснащаются всеми не­обходимыми устройствами для организации их автономной работы.

Особенностью проектирования роботизированных технологических про­цессов является необходимость определения (выбора) типа схвата ПР (торцовый или боковой), а также формы и размеров его рабочих элементов. Для большинства заготовок при их обработке за несколько операций требуется вспомогательное оборудование для перезахвата изделия. Такие вспомогатель­ные позиции требуются в тех случаях, когда транспортная база при разгрузке оборудования на предыдущей операции не совпадает с транспортной базой при загрузке оборудования на следующей операции.

Транспортная база - база, используемая для определения положения заго­товки или изделия в процесс перемещения автоматическими средствами мани­пулирования (относительно координатной системы захватного устройства).

Так как транспортная база имеет такое же назначение, как и технологиче­ская, правило ее выбора в основном совпадает с правилами выбора технологи­ческой базы с учетом специфических требований:

• поверхности транспортной базы должны обеспечивать надежное захва­тывание и ориентацию заготовок;

• поверхности транспортной базы не должны иметь дефектов;

• транспортной базой не должна быть легкоповреждаемая поверхность;

• транспортная база по возможности должна совпадать с центром тяжести заготовки (в противном случае появляется вращающий момент от массы заготовки).

В качестве транспортных баз могут быть использованы необрабатываемые и обрабатываемые поверхности.

Если за базу принимается необрабатываемая поверхность, то необходимо учесть:

• изменение размеров после обработки;

• вероятность того, что на следующей операции необходимо захватывать за обработанную поверхность;

• точность дальнейшей установки и обработки, так как черновая база должна использоваться, как правило, только один раз.

В ряде случаев необходимо обработать дополнительные поверхности, ис­пользовать искусственные транспортные базы в виде, например, приклеивае­мых элементов. При выборе транспортной базы должны соблюдаться все пра­вила базирования.

Выбор транспортной базы, определение траектории и скоростей манипу­лирования осуществляется при проектировании транспортно-установочного пе­рехода. Транспортно-установочный переход - комплекс приемов, выполняемых ПР и другим оборудованием в пределах одного установа заготовки

При построении траекторий манипулирования проверяется отсутствие со­ударения робота, оборудования и других роботов. Проводится выбор ориента­ции оборудования и траектории входа и выхода схвата из оборудования. Такая проверка проводится графически и аналитически.

Скорости манипулирования выбираются в основном из условия обеспече­ния такта выпуска изделий с РТК и всего участка в целом. Скорости определя­ются в следующей последовательности:

• построение траекторий манипулирования;

• группирование переходов по длительности их выполнения исполнитель­ными механизмами;

• распределение скоростей между степенями подвижности робота. Решение задачи планировки разбивается на следующие этапы:

• выбор порядка расположения оборудования;

• выбор ориентации оборудования относительно роботов и построения общих траекторий манипулирования.

При проектировании выбираются модели ПР, технические параметры ко­торых наиболее близки к требуемым. Если модель не может непосредственно обеспечить требуемые характеристики, разрабатывается проект модернизации ближайшего по параметрам ПР. Чаще всего требуется модернизация или разработка новых захватных устройств, введение дополнительных точек позициони­рования или степеней подвижности.

Около половины перемещений робота совершается без изделия. Они являют­ся холостыми ходами - так как ПР не выполняет своей основной функции - транс­портирования изделий. Для повышения эффективности использования РТК наибо­лее простым является введение вблизи оборудования накопителей для промежу­точного хранения изделий в момент загрузки и разгрузки этого оборудования. В этом случае тратится на 25-45 % меньше времени, чем в системах без дополни­тельных накопителей. Промежуточные накопители могут быть.

• неподвижны и установлены рядом с оборудованием;

• находиться на самом роботе;

• в виде двух схватов на руке;

• в виде двух схватов на платформе, которая может смещаться относительно руки;

• в виде двух рук.

Наиболее эффективным в условиях гибкого производства является уста­новка буферных накопителей определенной емкости.

Обычно для обслуживания станков применяются не один, а несколько ро­ботов в силу следующих причин:

• один робот не успевает обслужить оборудование за требуемое время, т.е. обес­печиваемый им такт выпуска изделий с РТК больше требуемого Т_р > [Т_р ];

• на различных операциях обеспечить манипулирование одним универсальным захватным устройством не удается;

• величина перемещений одного ПР не позволяет обслужить все оборудо­вание РТК.

Обслуживание нескольких станков одним ПР снижает затраты и дает возмож­ность выполнять этим устройством функции транспортирования. Но при этом мо­гут возникать потери во времени ожидания станком обслуживания, если одновре­менно на нескольких станках возникает потребность в новых заготовках. В этом случае робот может подать заготовку только на один станок, остальные в это время простаивают. Анализ может быть проведен с помощью циклограмм.

Продолжительности простоев Т_п станков и роботов определяется множеством факторов: числом оборудования, циклом работы каждой единицы, временем об­служивания и т. д. Расчеты могут быть проведены на основе конкретной номенкла­туры. Учитывая необходимость гибкости, наиболее рациональным для мелких и средних заготовок является установка накопителей у каждого станка и наличие для каждого станка автоматического загрузчика.

При организации обслуживания станков несколькими роботами передача из­делий от одного РТК к другому может осуществляться следующими способами.

• из захватного устройства одного робота в захватное устройство другого;

• в самом технологическом оборудовании;

• с помощью дополнительных устройств.

Оснастка и вспомогательные устройства выбираются из числа известных и зарекомендовавших себя в эксплуатации устройств: кассеты, накопители, транспортирующие и передающие устройства и т.п. Однако, как правило, эти конструкции требуют значительной модернизации. Большую же часть вспомо­гательного оборудования необходимо проектировать заново.

Поскольку РТК предназначены для многономенклатурного производства в условиях «безлюдной» технологии, все средства технологического оснащения должны обладать возможностью автоматической переналадки. Для этого необ­ходимо организовать идентификацию (опознавание и сравнение) заготовки пе­ред операцией, либо по размерам, либо по конфигурации. Автоматическая пе­реналадка позволяет менять не только содержание операций обработки, но и их последовательность.

Операционная технология должна быть отработана на основе типовых ре­шений и обеспечить необходимое качество, высокую производительность и на­дежность обработки заготовок в автоматическом режиме.

Распределение технологических операций между станками должно быть таким, чтобы станкоемкость операций была по возможности равной или крат­ной друг другу.

Имеющиеся примеры применения промышленных роботов показывают не­обходимость тщательного решения вопросов обеспечения точности автомати­ческой установки заготовок по операциям технологического процесса.

Погрешность установки заготовок препятствует выполнению заданных требований по точности формы и расположения обрабатываемых поверхностей, вызывает необходимость увеличения припусков и приводит к росту трудоемко­сти обработки. Она вызывает погрешности обработки, разделяющиеся на две группы: статические и динамические. Статические влияют на точность распо­ложения обрабатываемых и необрабатываемых поверхностей. Динамические -на погрешность формы обрабатываемых поверхностей.

Автоматическая установка заготовок с помощью ПР требует определенно­го соответствия устанавливаемой заготовки, схемы ее установки и параметров промышленного робота.

При использовании ПР установка заготовок отличается рядом особенностей:

• базирование и закрепление заготовок совмещено во времени;

• в момент закрепления возникает статическая неопределенность, заклю­чающаяся в одновременном удержании заготовки схватом ПР и зажим­ным приспособлением;

• имеет место погрешность перемещения при транспортировании загото­вок в позицию закрепления, выражающаяся при токарной обработке в несовпадении осей шпинделя и заготовки;

• при закреплении возникают деформации звеньев технологической системы Наличие указанных особенностей приводит к установке заготовок с по­грешностью, на величину которой оказывают влияние два фактора: погрешность транспортирования (погрешность перемещения заготовки в позицию за­крепления) и погрешность силового замыкания (рисунок 4.42).

Рисунок 4.42 - Составляющие погрешности автоматической установки

Погрешность транспортирования представляет собой отклонение фактиче­ского положения заготовки, перемещенной ПР, от заданного до приложения зажимных сил.

При наличии погрешности транспортирования закрепление заготовки в то­карном патроне происходит в два этапа:

• перемещение заготовки одним или двумя кулачками до контакта со все­ми зажимными кулачками;

• окончательное закрепление заготовки.

Составляющие погрешности транспортирования находятся эксперимен­тальным или расчетным путем. Например, погрешность, связанная с несовпаде­нием транспортной и технологической баз может быть найдена из чертежа заго­товки и технических требований на ее изготовление. Факторами, приводящими к появлению погрешности, являются: смещение и эксцентричность поверхности заготовок, получаемых литьем или методами пластического деформирования; кривизна и коробление поверхности; отклонение линейных и диаметральных размеров; отклонение геометрической формы.

Численные величины этой погрешности зависят от конкретных заготовок.

Погрешность закрепления в схватке ПР зависит от вида заготовок и по­дающих устройств.

Погрешность позиционирования ПР является паспортной величиной и ле­жит для имеющихся сейчас моделей в пределах + 0.1.. .± 0.5 мм.

Величины погрешности обучения зависят от квалификации наладчика (для роботов с обучением).

Погрешности из-за упругих и контактных деформаций особенно значи­тельно влияют на погрешность транспортирования при несовпадении центра тяжести заготовки с транспортной базой.

Повышение точности установки заготовок с помощью ПР обеспечивается:

• уменьшением составляющих погрешности транспортирования,

• изменением фактического положения заготовки с выдачей при необхо­димости команды на переустановку;

• применением адаптивных захватных устройств и введением контуров коррекции в систему управления;

• введением упругих компенсаторов в систему «схват - рука»;

• использованием дополнительных устройств в виде призм, толкателей, досылателей и т.п.;

• использованием станков вертикального исполнения;

• обработкой заготовок в приспособлениях-спутниках.

При проектировании технологических процессов с использованием ПР стремятся до минимума сократить число операций и установов.