Автоматизация всех уровней технического контроля продукции и диагностики оборудования внутри цеха

 

Особое значение имеет автоматизация всех уровней технического контроля продукции и диагностики оборудования внутри цеха, объединяющая большой комплекс контрольно-измерительной и диагностической аппаратуры и микропроцессорных средств обработки информации. При полной автоматизации, когда человек в этом звене отсутствует, такая система, вообще говоря, может быть довольно сложной и будет включать в себя новые элементы, которые были не нужны при наличии человека. Обработанная информация контрольно-измерительной системы поступает к диспетчеру цеха вместе с данными по учету изготовляемой продукции. Она же используется и в автоматических системах управления ходом технологического процесса, служит сигналом для подналадки станка или смены негодного инструмента и т. п.

Измерительные машины с программным управлением выполняют функции обратной связи, подавая результаты измерений на "выходе" технологического процесса на его "вход" для коррекции этого процесса в соответствии с заданными критериями качества. Такой замкнутый цикл при управлении процессами от ЭВМ с соответствующей микропроцессорной обработкой информации позволяет наилучшим образом регулировать ритм хода технологического процесса и наиболее точно удовлетворять требованиям стандартов качества продукции. Кроме того, такая система своевременно сигнализирует оператору или диспетчеру о возникающих неполадках.

Традиционные методы измерения, позволяющие контролировать лишь малую часть изделий, иногда задерживающие процесс изготовления, требующие подчас большего времени, чем сам производственный процесс, становятся в гибких производственных системах недопустимым тормозом. Особенно это относится к контролю сложных корпусных деталей с рядом плоскостей, отверстий и приливов. Измерительная машина автоматически способна без изменения позиции такой детали (без ее перевертывания) проверить концентричность, параллельность, перпендикулярность отверстий или их расположение под любым углом и все пространственные (трехмерные) размеры. Результаты контрольных измерений выдаются оператору в цифровом виде и могут передаваться в систему управления технологическим оборудованием для автоматической коррекции.

Кроме целей контроля, специальные измерительные машины могут применяться для программной автоматической разметки сложных деталей и профилей и руководить их обработкой через ЭВМ. Таким образом повышается точность и качество разметки и обработки по сравнению с традиционными методами. Исключаются индивидуальные ошибки человека и повышается производительность. Часто измерительные машины работают в полуавтоматическом режиме с участием оператора, но без выполнения им собственно процессов измерения и выдачи результатов.

Важное значение имеет встроенная в агрегаты гибкой производственной системы аппаратура автоматической диагностики состояния определенных элементов этих агрегатов (механических, гидравлических, электрических, электронных) и обрабатывающего инструмента (износа, деформаций (и пр.). Она может быть использована для автоматической подналадки или сигнализации оператору, если исправление дефекта выходит за рамки возможностей автоматики и требуется вмешательство человека.

Гибкие производственные системы на технологических участках, линиях и в цехе являются основой организации ВЧПС в масштабе комплекса цехов и завода или фабрики в целом. Производство и его автоматизация непрерывно развиваются. Поэтому каждая ГПС в малом и большом масштабе должна строиться таким образом, чтобы предусматривались возможности ее развития, подключения к другим равным и старшим системам.

 

Складской модуль

 

Устройства складирования в ГПС служат для хранения заготовок, частично или полностью обработанных деталей, а также технологической оснастки и режущего инструмента. К ним относятся центральные склады (централизованное хранение) и пристаночные накопители малой емкости (децентрализованное хранение). Последние повышают эффективность многооперационных станков с ЧПУ при их автономном использовании, что особенно важно в случае выхода из строя отдельных подсистем ГПС.

Центральный склад выполняется в трех вариантах: в виде стеллажа-накопителя со штабелером, конвейера-накопителя и в комбинации первого со вторым. В последнем варианте связь между ними осуществляется специальной транспортной тележкой.

Стеллаж-накопитель может быть различного конструктивного исполнения: одно- и двусторонним, одно- и многоярусным. Обслуживание стеллажа осуществляется штабелером (рис. 1).

 

Рис. 1. Стеллаж-накопитель со штабелёром

 

Конвейеры-накопители обычно выполняются замкнутыми цепными, роликовыми, ленточными и комбинированными роликоцепными.

Центральный склад помимо функций хранения выполняет функции выравнивания потоков заготовок и обработанных деталей. Это необходимо для сокращения времени обслуживания станков. Очередь требований, возникающих в системе, относится к центральному складу. Удовлетворение этой очереди осуществляется с учетом очередности поступления заявок или на основе заранее определенных приоритетов.

Наличие центрального склада обуславливает независимость друг от друга рабочих позиций, так как он может выполнять функции промежуточного накопителя при передаче заготовки с одного станка на другой.

Способы хранения заготовок в складе определяются их видом и принятой технологией обработки. При обработке корпусных деталей наибольшее распространение получила паллетизация. В этом случае заготовки устанавливаются вручную на универсальные приспособления-спутники (паллеты), имеющие базовую плиту с сеткой пазов и отверстий, предназначенных для установки сменных базирующих и зажимных элементов. Паллеты имеют два точных координатных отверстия, по которым осуществляется единая установка ее на рабочих позициях станков, работающих в ГПС. Использование паллет на 30...35% увеличивает стоимость складского модуля.

Заготовки тел вращения хранятся в контейнерах или в магазинах. Внутри магазина устанавливаются поддоны, на которых на унифицированных элементах находятся заготовки. Поддоны в магазине хранятся штабелями. Магазин имеет привод, который выдвигает каждый поддон в отдельности для подачи его на тактовый стол для перемещения в зону, обслуживаемую ПР.

Складские модули обычно предусматривают хаотичное хранение, т.е. ячейки склада не закрепляются за каким-то определенным видом изделий или тары. Обычно емкость склада ГПС механической обработки составляет 100-150 паллет (магазинов).

 

 

Транспортный модуль

 

Под транспортным модулем понимается транспорт, функционально связанный с основным и вспомогательным оборудованием ГПС и обеспечивающий перемещение заготовок, обработанных деталей, режущего инструмента, сменных агрегатов и узлов (например, многошпиндельных головок) и др. В состав транспортного модуля могут входить также устройства для подачи СОЖ, сбора и удаления стружки (отходов производства). Структура транспортного модуля приведена на рис. 1.

 

Рис. 1. Структура транспортного модуля ГПС

 

Доминирующей задачей потока материалов является транспортирование заготовок и деталей, частично или полностью обработанных.

Следует отметить, что гибкость транспортной системы в значительной степени определяет гибкость всей ГПС.

Общее многообразие транспортных систем, применяемых в ГПС, можно классифицировать следующим образом (рис.2).

В случае линейной структуры транспортной системы, например, в поточных линиях, заготовки от одной рабочей позиции к другой передаются с помощью транспортера в жесткой и неизменной последовательности. Для гибких технологических систем такая форма транспортной системы мало эффективна.

Замкнутая структура транспортной системы предполагает строго определенное замкнутое направление перемещения заготовок. Такая транспортная система осуществляется, как правило, с помощью роликовых транспортеров, втулочно-роликовых цепей и т.п. Гибкость системы в этом случае достигается тем, что при неблагоприятных условиях загрузки отдельных рабочих позиций, заготовки могут неоднократно циркулировать в ней. Однако это приводит к возрастанию времени транспортирования.

 

Рис. 2. Структура транспортной системы ГПС

 

Лучевая структура транспортной системы характеризуется произвольной последовательностью расположения позиций обработки и предполагает использование центрального склада. Возможности рассматриваемой структуры транспортной системы довольно высокие.

Сетевая структура транспортной системы обеспечивает доставку заготовок на рабочую позицию как через центральный склад, так и минуя его непосредственно с предыдущей позиции. Последнее обстоятельство особенно важно при обработке крупногабаритных и тяжелых деталей.

Рассматриваемая структура транспортных систем не исключает наличие промежуточного накопителя на каждой рабочей позиции.

Выбор той или иной структуры транспортной системы определяется характером обрабатываемых деталей, составом оборудования, производственными площадями, требуемой гибкостью ГПС и капитальными затратами. Наибольшими возможностями для ГПС располагают лучевая и особенно сетевая структура транспортной системы.

В качестве транспортирующих устройств используются рельсовые и самоходные тележки, различного рода краны и конвейеры. Использование в качестве транспорта конвейеров и рельсовых тележек ограничивает гибкость автоматизированной станочной системы. В настоящее время большинство ГПС строится на базе самоходных тележек (роботрайлеров и робокаров).

По назначению робокары делятся на следующие виды:

- рабочая тележка для транспортирования грузов;

- тележка-тягач для перемещения груза в прицепных тележках;

- тележка-перекладчик, которая комплектуется механизмами, выполняющими загрузочно-разгрузочные операции в автоматическом режиме.

В состав робокара входят:

- платформа с приводом;

- система управления, включающая в себя бортовую ЭВМ;

- система слежения за движением и устройство путевого контроля;

- система сигнализации и обеспечения безопасности работы;

- аккумуляторная батарея;

- вспомогательная технологическая оснастка.

Маршрут перемещения робокар определяется системойнаведения - индукционной или фотоэлектрической. При индукционной системенаведениямаршрут задается проволочным проводником, заделанным в пол, по которому течет ток частоты от 5 до 32 Кгц. При фотоэлектрической системе наведения маршрут задается потоком света, отраженного от полосы фольги, наклеенной на пол. Точность позиционирования робокар составляет 1-4 мм.

 

Установочный модуль ГПС

 

Для автоматизации загрузочно-разгрузочных работ в установочном модуле ГПС предусмотрено следующее оборудование (рис. 1).

 

Рис. 1. Оборудование установочного модуля

 

Устройствами передачи в ГПС служат стационарные столы с толкателями, поворотные столы, различные по конструкции конвейеры и т.д.

Автоматический прием заготовок и выдача обработанных деталей осуществляется с помощью специальных по конструкции столов станков или приспособлений, устанавливаемых на столы обычных станков.

 

Инструментальный модуль ГПС

Для эффективной работы ГПС в ней должна быть решена задача автоматизированного обеспечения станков режущим инструментом. Такая постановка задачи предполагает наличие в ГПС центрального склада инструментов, пристаночных инструментальных магазинов, транспортной системы доставки инструментов, а также участка подготовки инструментов к работе и системы контроля его работоспособности на станке (рис. 1).

 

Рис. 1. Структура инструментального модуля

 

Стоимость инструментального обеспечения ГПС составляет около 20% всех затрат. Для уменьшения затрат необходимо стремиться к сокращению номенклатуры и числа используемых в ГПС инструментов. Этого можно добиться за счет реализации следующих мероприятий:

- замена нескольких (функционально одинаковых и различных) инструментов одним;

- замена фасонных инструментов формообразующими инструментами;

- принципиальные изменения конструкции деталей;

- конструктивно-технологическая унификация геометрических элементов деталей.

В настоящее время применительно к ГПС разработаны различные конструкции расточных оправок с автоматическим регулированием вылета резца с точностью до 0,005 мм, разверток, допускающих наложение фасок при обратном ходе и т.д.

Наиболее успешно вопросы инструментального обеспечения ГПС решаются в случаях, когда инструменты конструктивно компонуются по блочно-модульному принципу. Сейчас этот принцип реализован, как для фрезерно-сверлильно-расточного, так и для токарного инструмента (системы Сандвик-Коромант, Хертель, ВидиаКрупп). Эти системы предполагают использование твердосплавных МНП с механическим креплением.

Следует отметить, что наличие в гибкой производственной системе центрального склада режущих инструментов имеет большие преимущества. Особенно это касается обработки широкого круга корпусных деталей, когда инструментов, установленных в магазине станка, может не хватать для обработки какой-либо конкретной заготовки.

Емкость центрального инструментального склада определяется номенклатурой обрабатываемых деталей, частотой использования инструментов и их стойкостью. Хранение инструментов в центральном складе осуществляется на специальных паллетах. Что касается пристаночных магазинов, то их оптимальная емкость составляет 40...45 инструментов.Доставка инструментов из центрального склада на станок и их замена в пристаночных магазинах осуществляется с помощью промышленных роботов, робокар и т.д.

При работе в автоматическом режиме особое значение приобретает вопрос определения работоспособности режущих инструментов. Этот сложный вопрос решают с помощью специальных приспособлений для контроля состояния инструмента и определения поломок, работа которых основана на различных методах: контроль тока в цепи главного привода, контактное ощупывание, контроль режущей кромки лазерным и инфракрасным излучением и т.д.

Производственный модуль

 

Повышение уровня автоматизации машиностроительного производства приводит к созданию ПМ, включающих в себя автоматизированную единицу технологического оборудования для изготовления изделий определенного вида с возможностью изменения в заданном диапазоне их типоразмерных характеристик. ПМ функционирует автономно, осуществляя многократные циклы, и может встраиваться в ГПС. В ПМ дополнительно обеспечивается автоматическое измерение и контроль качества изготавливаемых изделий, диагностика состояния инструментов, механизмов и устройств самого оборудования, а также автоматическая подналадка технологического процесса и автоматическая переналадка оборудования на изготовление другого типоразмера изделия. ПМ можно рассматривать как разновидность РТК с более высоким уровнем автоматизации всех вспомогательных, контрольно-измерительных и диагностических операций, с элементами адаптивного управления.

Производственный модуль (ПМ) состоит из единицы технологического оборудования, оснащенного ЧПУ и средствами автоматизации технологического процесса.

В общем случае в состав станочного модуля – ПМ входят:

- станок с ЧПУ;

- средства автоматической загрузки-выгрузки станка;

- транспортно-накопительная система;

- магазин инструментов и устройство их автоматической смены;

- устройства автоматического контроля размеров обработанных деталей;

- устройство контроля размеров режущего инструмента;

- система опознавания заготовок;

- система контроля за состоянием процесса резания;

- механизм автоматической смены элементов зажимных приспособлений.

На рис. 1 показан станочный модуль фирмы EMAG, выполненный на базе двух-шпиндельного токарного станка 4 с ЧПУ. Станок имеет механизированные приводы зажимных патронов, ограждения и соответствующие датчики для получения необходимых сигналов о состоянии оборудования, наличии заготовок и т д.

В состав модуля входит ПР 1, оснащенный четырьмя манипуляторами и предназначенный для загрузки - разгрузки станка. ПР способен одновременно взять с транспортно-накопительной системы 6 две заготовки и снять с двух шпинделей станка 4 две обработанные детали.

Рис.1. Гибкий производственный модуль фирмы EMAG

 

Кроме того, ПР устанавливает заготовку на призму поворотного стола 5, где она кантуется и одновременно контролируется, что позволяет сократить вспомогательное время. Наличие магазина 3 инструментов и устройства 2 их автоматической смены (в случае износа или поломки резца) обеспечивает работу модуля в течение значительного интервала времени (например, в течение двух смен) без участия обслуживающего персонала.

Требования к ГПМ, работающего в режиме безлюдной технологии

В ГПС для многономенклатурного мелкосерийного производства ГПМ оснащают широким набором дополнительных устройств, увеличивающих их гибкость. ГПМ, работающие в режиме безлюдной технологии, должны отвечать ряду специальных требований, которые можно разделить на основные и дополнительные.

Например, токарным ГПМ предъявляют следующие основные требования:

- управление от ЭВМ,

- наличие магазина инструментов,

- конвейера для сбора стружки,

- автоматический зажим и разжим заготовок в патроне станка.

К дополнительным требованиям относятся:

- возможность автоматической переналадки патрона по программе,

- регулировки по программе силы зажима заготовки определяемого жесткостью заготовки и силами резания,

- автоматической корректировки УП при изнашивании режу­щего инструмента и т.д.

Аналогичным требованиям должны отвечать и ГПМ на базе многоцелевых сверлильно-фрезерно-расточных станков. Кроме этого, такие ГПМ должны отвечать специфическим требованиям:

- наличие магазинов приспособлений-спутников,

- многошпиндельных головок,

- возможность замены комплектов инструментов или целиком инструментальных магазинов;

- замена тары для стружки, емкостей дляСОЖ при переходе на обработку различных материалов;

- очистка от стружки опорных поверхностей спутников и позиционных приспособлений;

- корректировка положения заготовки в спутнике и т.д.

Обязательным требованием к ГПМ является возможность его встраивания в ГПС. Поэтому он должен иметь стандартные сопрягающие устройства для стыковки с автоматическими транспортно-складскими системами (АТСС), с центральной ЭВМ, а также отдельными системами ЧПУ станков, ПР и транспортных устройств. ГПМ создают на основе модульного принципа.

Агрегатно-модульный принцип построения ГПС

ГПС строятся по агрегатно-модульному принципу, что имеет ряд преимуществ.

Рассмотрим последовательность создания ГПС.

На рис. 2 приведены стандартные узлы, на базе которых строятся горизонтальные ГПМ в зависимости от конкретных требований заказчика. Некоторые узлы являются общими для всей гаммы, другие относятся только к определенным ее типоразмерам. На рис. 3 показан ГПМ для сверлильно-фрезерно-расточных работ, построенный по агрегатно-модульному принципу с использованием стандартных узлов (см. рис. 2).

По мере необходимости возможно наращивание количества модулей в ГПС, добавляются станки, станции хранения палет, увеличивается длина транспортера и устанавливается контроллер управления участком. Стандартные узлы относятся к основным узлам ГПМ, определяющим производительность и точность обработки. Элементы систем управления (системы ЧПУ, различные датчики, электрошкафы и др.), шпиндельные узлы, комплекты приспособлений и загрузочные устройства встраиваются в станки при проектировании их по каталогам и покупаются у специализированных предприятий. На современном уровне серьезный станкостроительный завод имеет свои стандартные узлы.

При создании ГПМ следовательно и ГПС (например, зажимные приспособления), используется агрегатно-модульный принцип.

 

Рис. 2. Гамма стандартных узлов для построения ГПМ:

1 — литая стойка; 2 — шпиндель (конус 50, мощность 50 или 60 кВт, 6500 об/мин); 3 — шпиндель (конус 50, мощность 50 кВт, 10000 об/мин); 4 — шпиндель (конус 50, мощность 50 кВт, 15000 об/мин); 5 — защитный экран с пультом управле­ния; 6 — стенка по осям X— Устанка; 7 — квадратные, прямоугольные паллеты (по стандарту ИСО); 8 — устройства автоматической смены паллет вместе с обрабатываемой деталью (гибкие, модульные, многопозиционные карусельного типа); 9 — дополнительный контроллер участка; 10 — дополнительный автома­тизированный участок загрузки паллет; 11 — перестраиваемые стойки для пал­лет или станции загрузки-выгрузки; 12 — типовое устройство для смены паллет (до шести стоек) или станций загрузки-выгрузки; 13 — ограждение для рабочей зоны; 14 — механизм автоматической смены инструмента, устанавливаемый сверху; 15 — накопители инструмента на 45—180 шт.; 16 — литоечугунное снование

 

На рис. 4 представлена компоновка отечественного ГПМ "Модуль 500" созданного на базе многоцелевого станка ИР-500МФ4, оснащенного дополнительным накопителем 5 приспособлений-спутников.

Для обеспечения автоматической работы станочного модуля в течение полутора-двух смен перед станком устанавливают многоместные загрузочные устройства (накопители) для спутников. Для передачи спутников на станок из позиций неподвижного накопителя применяют схему с использованием

Рис. 3. Использование стандартных узлов при построении ГПМ:

1 — автономная станция загрузки-выгрузки паллет с деталями;2 — модульный механизм смены паллет с обрабатываемой деталью; 3 — автономные стойки для установки паллет; 4 — поворотный стол; 5 — магазин инструментов с возмож­ностью увеличения емкости от 45 до 180 шт.; 6 — цифровые серводвигатели переменного тока с адаптивной настройкой; 7 — шпиндель (конус 50, мощность 50 кВт); 8 — стойка с линейными роликовыми направляющими; 9 — шкаф для кондиционирования воздуха; 10 — УЧПУ; 11 — устройство подачи паллет на обработку; 12 — сдвоенный винтовой транспортер стружкидвух-позиционного перегружателя (каретки-оператора) (рис. 5, а)

Рис. 4. Компоновка ГПМ "Модуль-500" на баземногоцелевого станка ИР-500 МФ4:

I ~ станок; 2 — шкаф электрооборудования; 3 - система управления измерением параметров обработки; 4 - устройство ЧПУ; 5 - накопитель спутников; 6 - устройство смены спутников; 7 — спутник; 8 — кассета с инструментом

 

Наличие перегружателя позволяет свести к минимуму время простоя станка. Загрузочное устройство карусельного типа (рис. 5, б) осуществляет передачу и прием спутников через одну позицию, расположенную перед станком. Загрузочное устройство с подвижными позициями обеспечивает передачу и прием спутников с двух различных позиций, расположенных вдоль оси. Установка на спутниках различных деталей предусматривает наличие системы автоматической идентификации (распознавания) спутников. С этой целью на спутники устанавливают кодовые гребенки или другие кодовые элементы, по которым датчик на исходной позиции, определяет наличие соответствующего спутника с определенной заготовкой и дает команду на вызов требуемой управляющей программы и подготовку необходимого инструмента.

В ГПС накопители для спутников связаны между собой гибкой транспортной системой. Автоматическая тележка-оператор, управляемая от ЭВМ,

 

Рис. 5. Многоместные загрузочные устройства для спутников многоцелевых станковобеспечивает передачу требуемой детали со спутником на другой модуль, на склад, на моечную или на координатно-измерительную машину (КИМ).

 

Модуль АСУ ГПС

В систему управления (СУ) ГПС входят аппаратные и программные средства. Управление ГПС осуществляется на основе ЧПУ мини- и микро-ЭВМ, микропроцессорами и программируемыми командоаппаратами. Система управления, как правило, имеет несколько уровней (табл. 1) и может настраиваться на различные режимы работы: запуск, наладочный, рабочий, плановый останов и т. д.

 

Таблица 1

Уровни управления ГПС

Уровень управления	Управляющее оборудование	Масштаб управления
Верхний	Мини - ЭВМ с расширенной памятью или средняя ЭВМ.	Управление системой, оптимизация работы, диспетчирование, хранение массивов данных.
Средний	Несколько мини-ЭВМ с меньшей памятью	Управление материальными потоками, взаимосвязь работы модулей ГПС.
Нижний	Микро-ЭВМ, микропроцессоры, УЧПУ, командоаппараты.	Автономное управление модулями ГПС и технологическим оборудованием.
Начальный	Датчики, конечные выключатели.	Слежение за состоянием работы оборудования, параметрами технологического процесса.

 

Программное обеспечение АСУ ГПС состоит из главной управляющей программы (ГУП) и десяти подпрограмм, каждая из которых выполняет определенные функции (табл. 2). Главная программа осуществляет координацию работы подсистем.

 

Таблица 2

Подсистемы программного обеспечения АСУ ГПС

№ n/n	Выполняемые функции
1.	Управление запуском оборудования ГПС
2.	Корректировка и восстановление информационных массивов
3.	Управление технологическим оборудованием
4.	Управление системой транспортирования деталей
5.	Управление системой транспортирования инструмента
6.	Управление наладочными режимами
7.	Управление плановым остановом
8.	Формирование информационных массивов и их редактирование
9.	Подготовка и вывод информации на АЦПУ и дисплей
10.	Ввод, хранение и редактирование УП обработки

 

В соответствии с функциональным различием программного обеспечения в АСУ ГПС выделяют две большие подсистемы (рис. 1):

Рис. 1. Подсистемы управления ГПС

 

Техническая подсистема реализует управление геометрической и технологической информацией. Она управляет процессами формообразования и настройки оборудования, осуществляет адаптивное управление обработкой и техническое диагностирование модулей ГПС.

Организационная подсистема реагирует управление ходом всего рабочего процесса ГПС во времени. Основными функциями данной подсистемы являются учет и контроль состояния деталей и заготовок, оптимизация маршрута обработки по сложившейся ситуации, управление материальным потоком заготовок, инструментов и деталей (диспетчирование), накопление и редактирование библиотеки управляющих программ обработки.

СУ ГПС может быть информационно связана с АСТПП и АСУП.

Совокупность ГПС и АСТПП и АСУП образует концепцию интегрированного производства, именуемого за рубежом CAD-CAM.