Автоматизация (ГПМ)

Содержание 

Введение3

1 Проектирование  структуры станочного модуля4

1.1 Анализ технологичности  детали для ее изготовления  в условиях автоматизированного  производства4

1.2 Выбор оборудования для механической обработки………………………6

1.3 Разработка технологической операции для ГПМ…………………………8

1.4 Выбор устройства  загрузки – выгрузки заготовок9

1.5 Выбор накопителей  или устройств подачи/приема заготовок13

1.6 Структурная  схема станочного модуля и  описание его работы17

2 Разработка  систем управления ГПМ19

2.1 Проектирование  структуры системы управления19

2.2 Разработка  алгоритма функционирования системы  управления модулем19

2.3 Построение  блок-схемы и циклограммы работы модуля21

3 Технологическая  подготовка операции механической  обработки для гибкого производственного  модуля25

3.1 Расчетно-технологическая  карта операции для станка  с ЧПУ25

      3.2 Создание управляющей программы для станка с ЧПУ………………….30

4 Технико-экономическое  обоснование проекта31

Вывод по работе36

Список использованных источников37 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение 

    Интенсификация  производства в машиностроении и  повышение его эффективности возможны при существенном росте производительности технологического оборудования, широкой его автоматизации и решении вопроса автоматизации вспомогательных работ. Для современного уровня развития автоматизации производственных процессов характерны три главные тенденции.

1. Широкое применение метода концентрации технологических переходов и операций при создании автоматического оборудования.
2. Использование метода агрегатирования металлорежущих станков-автоматов и автоматических линий, сборочных машин, контрольных, транспортных устройств, роботов и систем управления.
3. Применение микропроцессорной техники и компьютеров для управления технологическими процессами на всех уровнях, включая контроль качества продукции.

    Эти тенденции повышают производительность, позволяют окупать затраты автоматизацию, сокращают сроки проектирования и изготовления средств автоматизации, повышают гибкость производства и надежность управляющих систем.

    Автоматизация производственных процессов, накладывает  ряд требований: повышение технологичности  деталей, унификация их конструкции; повышение точности заготовок, создание автоматических линии для комплексного изготовления деталей; развитие прогрессивных технологических процессов, создание новых методов обработки деталей, разработка новых типов режущих инструментов; повышение степени непрерывности процессов, замена дискретных процессов непрерывными; развитие теории комплексной оптимизации технологических процессов, включающей в себя выбор или разработку наиболее эффективных методов и приемов выполнения операций обработки поверхности деталей, выбор наиболее рациональной структуры процесса.

     При этом главной задачей является не только существенное увеличение количества применяемых в производстве средств автоматизации, но качественное изменение работ в этой области и переход от локальных задач к комплексным. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1   Проектирование структуры станочного модуля 

    1.1 Анализ технологичности детали для её изготовления в условиях автоматизированного производства 

    Одним из важнейших этапов создания и успешного  функционирования автоматизированных производственных систем является подбор деталей и отработка их конструкций на технологичность, которая оценивается совокупностью свойств, определяющих приспособленность детали к достижению оптимальных (минимальных) затрат ресурсов при её производстве, включая изготовление и участие в автоматизированной сборке изделия.  Предлагается обработать деталь «клапан», представленную на рисунке 1.1.

    Рисунок 1.1 – Чертеж детали. 

     Технологичность детали оценивается коэффициентом технологичности, определяемым по формуле:

      ,

    где   K_Ti, - частные коэффициенты технологичности;

     b_Ti - весомость частных коэффициентов технологичности, определяемая по [1]. с. 16, таблица 14.

    В качестве частных коэффициентов  используются:

1. Коэффициент использования материала К_И.М., определяемый (по [1], с.12, таблица 5), исходя из соотношения

2. Коэффициент обрабатываемости материала К_О.М.. Назначается в зависимости от марки материала в соответствии с [1], с.12, таблица 5. Исходя из марки обрабатываемого материала (сталь 40Х), К_О.М = 0,7.
3. Коэффициент унификации конструктивных элементов деталей К_У.Э., который определяется по формуле

где  N_У.Э. – количество унифицированных элементов (в нашем случае их 10);

         N – общее количество элементов (в нашем случае их 11);

         N_нет – количество нетехнологичных элементов (в нашем случае их 1).

    Рассчитав, получим 

4. Коэффициент шероховатости К_ш, который определяется (по [1], с.14, таблица 7), исходя из количества различных значений шероховатостей, применяемых в конструкции детали (3). В данном случае К_ш=0,9.
5. Коэффициент пригодности деталей для автоматической сборки К_а.сб., который определяется по формуле

где  – весомость частных коэффициентов, определяемая по [1], с.16, таблица 13.

       Коэффициент пригодности деталей для автоматической сборки К_а.сб является комплексным, определяемым на базе пяти частных коэффициентов:

• Коэффициент сохранения формы детали на операции сборки К_с.ф., определяется по [1], с.14, таблица 8;
• Коэффициент сохранения положения детали на операции сборки К_с.п., определяется по [1], с.14, таблица 9;
• Коэффициент автоматизированного ориентирования при сборке К_а.о., определяется по [1], с.15, таблица 10;
• Коэффициент автоматизации базирования при сборке К_а.б., определяется по [1], с.15, таблица 11;
• Коэффициент сцепляемости деталей в накопителях К_сц.д., определяется по [1], с.15, таблица 12.

Таблица 1.1 – Значения коэффициентов 

    Используя данные из таблицы 1.1, рассчитаем К_а.сб и K_T 
 

    Исходя  из вышеприведенных расчетов, можно  сделать вывод, что конструкция  детали позволяет автоматизировать её обработку с использованием гибкого производственного модуля. Возможна автоматизация и последующей сборки. 
 

    1.2 Разработка технологической операции  для ГПМ 

    В данном случае целесообразно полностью  обработать весь контур детали за 2 установа. Структура технологической операции для ГПМ представлена на        рисунке 1.2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Рисунок 1.2 – Структура технологической  операции для ГПМ

    В качестве станочного приспособления используется автоматизированный самоцентрирующий кулачковый патрон. Штучное время выполнения операции

    Для выполнения операций назначаем режущий  инструмент как отечественного, так  и импортного производства. Конструкция, обозначение и рекомендуемые  режимы резания по каждому инструменту  представлены в таблице 1.2.

    Таблица 1.2 – Инструменты для обработки  детали «Клапан»

    1.3 Выбор оборудования для механической обработки 

       Выбор оборудования производят на основе следующих  критериев:

       1) себестоимость;

2. технологические возможности;
3. габариты;
4. точностные показатели;
5. производительность;
6. мощность.

       Рассмотрим  их применительно к детали «клапан» и определим оборудование наиболее подходящее для выполнения обработки. Предложено разработать ГПМ (гибкий производственный модуль) из двух станков. Предварительно (до поступления на ГПМ) заготовка (прокат) была отрезана на пилоотрезном станке. Поскольку производство крупносерийное, то для обработки целесообразно применить специализированное оборудование, например гидрокопировальный полуавтомат, но поскольку гибкость такого оборудования будет невелика, а по условию задания требуется спроектировать гибкий модуль, то такое оборудование применять не следует. Обязательное наличие гибкости, сложность контура детали, количество инструментов, необходимых для обработки обуславливают целесообразность применения программного оборудования. Исходя из того, что «клапан» представляет собой деталь типа «вал» можно сделать вывод, что из всех типов станков лучше всех подходят токарные станки с ЧПУ. Из рассмотренного выше можно прийти к выводу, что для обработки детали «клапан» в составе ГПМ целесообразно применить токарный станок с ЧПУ модели 16Б16Т1. Основные характеристики представлены в таблице 1.3.

    Таблица 1.3 – Основные характеристики станка с ЧПУ 16Б16Т1

1.4 Выбор  устройства загрузки-выгрузки заготовок 

    Загрузка  станков является основной функцией автоматизации производства, и как она обеспечивает материальный поток — поступление заготовок на позицию обработки и съём обработанных деталей.

    В качестве устройства загрузки — выгрузки заготовок могут служить различные промышленные роботы, которые классифицируются по следующим признакам:

• специализации;
• грузоподъёмности;
• числу степеней подвижности;
• возможности передвижения;
• способу установки на рабочем месте;
• видам системы координат;
• видам системы управления;
• способу программирования.

    Устройство  загрузки — выгрузки заготовок для  разрабатываемого ГПМ должно обладать следующими характеристиками:

• грузоподъёмность больше 12,7 кг (масса заготовки составляет 12,7 кг);
• четырьмя степенями подвижности (без захвата):

    а) вертикальное перемещение;

    б) горизонтальное перемещение;

    в) поворот руки вокруг своей оси на 340°;

    г) поворот руки вокруг оси на 180° для того чтобы развернуть заготовку с целью ее обработки с обеих сторон;

    -  цикловой системой управления (т.к. положения заготовок и деталей фиксированы в местах загрузки и выгрузки);

    - три программируемые координаты.

    Подбираем промышленный робот, удовлетворяющий  вышеперечисленным характеристикам. Им более полно соответствует промышленный робот ПР FANUC M-20iA. Схема робота представлена на рисунке 1.4.1, а технические характеристики – в таблице 1.4.

    Рисунок 1.4 – Схема ПР FANUC M-20iA 

Таблица 1.4 – Технические характеристики ПР FANUC M-20iA

    Для выбранной модели робота определяем тип захватного устройства (схвата). Исходя из конфигурации заготовки(масса 12,7 кг, размер 97×220 мм, тип заготовки вал), выбираем двухпальцевый клещевой тип схвата (по [2], с.9, таблица 3). Вариант исполнения схвата предсттавлен на рисунке 1.4.2.

    Рисунок 1.4.2 – Двухпальцевый клещевой схват. 

    Необходимо, чтобы деталь надежно удерживалась при ее переносе. Определим силу зажима на пальцах схвата. Схема схвата с приложенными к нему силами представлена на рисунке 1.4.3.

    Рисунок 1.4.3 – Схема схвата 

    Силы  на поверхностях контакта определим  по формуле 

    где  - линейное ускорение, указанное в характеристиках промышленного робота (для роботов с сервоприводом 25 м/с²);

      – ускорение свободного падения  (9,8 м/с²);

      – масса переносимого объекта,  кг.

    Подставив значения в формулу, получим 

    Требуемая сила зажима заготоки при ее перемещении  определяется по формуле 

    где k -  коэффициент запаса (2-2,5).

    Подставив значения в формулу, получим 
 
 

    1.5 Выбор накопителей или устройств  подачи/приема заготовок 

    Поскольку заготовки поступают на станочный  модуль в ориентированном положении, то в качестве устройства подачи заготовок  можно использовать прямолинейный  лотковый магазин (лоток), эскиз которого представлен на рисунке 1.5.1.

 Рисунок 1.5.1 – Эскиз лотка

    Расчет  ширины лотка производится для предотвращения заклинивания и потери ориентации заготовок  при движении по лотку (рисунок 1.5.2).

 Рисунок 1.5.2 – Схема ширины лотка 

    Ширину  лотка можно определить по формуле 

    где  – длина заготовки, мм;  – зазор между заготовкой и бортами лотка.

    Величина  зазора между заготовкой и бортами  лотка определяется по формуле  

    где – диаметр заготовки, мм; f – коэффициент трения материала заготовки и лотка, принимается 0,1 - 0,2.

    Подставив численные значения, получим: 
 

    Высота  стенки лотка Н рассчитывается по формуле 

    Подставив численные значения, получим: 

    Заготовки в лотке перемещаются общей массой. Механизм поштучной выдачи предназначен для отсекания от общего потока одной  заготовки. Наиболее часто применяются  механические механизмы поштучной  выдачи. Выберем по [2], с.54, таблица 17 механический вид механизма с вращательным движением отсекателя, роль которого выполняет звездочка, простого действия. Схема механизма представлена на рисунке 1.5.3. 

    Рисунок 1.5.3 – Схема механического вида механизма с вращательным движением отсекателя, роль которого выполняет звездочка:

    1 – лоток; 2 – заготовка; 3 – звездочка. 

    Необходимо  рассчитать длину лотка по числу  помещаемых в него заготовок. Требуемую  емкость лотка можно определить по формуле  

    где – время автономной работы модуля (2 смены – 960 мин.),

      – количество заборов деталей  за время работы модуля (),

      – штучное время изготовления  одной детали, мин.

    Подставив численные значения, получим 

    Найдем  длину лотка L 

    Для выгрузки деталей используем ящичную  тару, так как на выходе положение  деталей неориентированное. Размеры  тары (длину, ширину и высоту) принимаем 500×300×300мм исходя из размеров помещаемой в нее детали (218×94×218 мм). Максимальная масса тары вместе с деталями не должна превышать 30 кг (т.е. 5 деталей в таре), так как дальнейшее перемещение тары будет осуществляться человеком.  
 
 
 
 
 
 
 

    1.6 Структурная схема станочного  модуля и описание его работы 

    Разрабатываемый станочный модуль для изготовления детали «клапан» можно представить в виде схемы, изображенной на рисунке 1.6. Она включает в себя следующие элементы:

• 2 токарных станка с ЧПУ модели 16Б16Т1;
• автоматизированную технологическую оснастку;
• лоток;
• промышленный робот модели ПР FANUC M-20iA;
• ящичная тара для приёма обработанных деталей;
• позицию для ориентации заготовок;

    - систему управления, координирующую работу элементов модуля.

    Работа  СМ начинается с загрузки в лоток заготовок, которые предварительно сориентированы. После этого отсекатель отделяет от всех заготовок находящихся в лотке крайнюю заготовку, которая под действием силы тяжести докатывается до упоров, которые проводят вторичную ориентацию. Затем промышленный робот берет заготовку и устанавливает ее на первый станок. Далее ПР берет следующую заготовку и устанавливает ее на второй станок. После окончания обработки одной стороны заготовки на первом станке, робот забирает ее, переворачивает и устанавливает на станок для обработки второй стороны. Далее робот после окончания обработки одной стороны заготовки на втором станке забирает заготовку, переворачивает ее и устанавливает на станок для обработки второй стороны. После завершения работы первого станка робот относит обработанную деталь в ящичную тару с деталями. После завершения работы второго станка робот так же относит обработанную деталь в ящичную тару с деталями. После того как она заполнится до конца (это означает, что партия деталей обработана) работа системы останавливается, а для ее продолжения необходимо подать в лоток новую партию заготовок, установить пустую тару и запустить систему. 
 

    Рисунок 1.6 – Схема построения компоновки станочного модуля 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2 Разработка систем управления  ГПМ

    2.1 Проектирование структуры системы  управления модулем 

    Объектами управления разрабатываемого станочного модуля в соответствии со схемой, представленной на рисунке 1.6 являются:

• токарные станок с ЧПУ модели 16Б16Т1;
• краны схвата промышленного робота ПР FANUC M-20iA;
• краны каретки схвата промышленного робота ПР FANUC M-20iA;
• лоток;

-   звездочка отсекателя.

    В качестве устройств управления элементами промышленного робота ПР FANUC M-20iA используем программируемые логические контроллеры (ПЛК), т.к. движения всех его рабочих органов просты и легко программируемы. Управление станками производится с помощью ЭВМ.

     Между объектами и устройствами установлена  двусторонняя связь (управляющее воздействие - обратная связь) благодаря чему возможна автоматизация процесса обработки. Например, система управления подает роботу команду «переместить руку вниз» эта команда и есть управляющее воздействие на орган робота, отвечающий за перемещение его руки вниз. При этом рука начинает передвигаться вниз до тех тор, пока не сработает датчик, установленный в нужном положении. Срабатывание датчика и будет сигналом обратной связи. После ее поступления система управления дает сигнал отключения подачи руки робота вниз.

     Управляющее воздействие на объекты управления осуществляется ПЛК, а обратная связь между ними упорами. В связке робот - отсекатель наличие обратной связи необязательно, поскольку отсекатель выполняет только одно действие за небольшой промежуток времени. 

     2.2 Разработка алгоритма функционирования  системы управления модулем 

    Возможные позиции промышленного робота приведены  в виде эскизов с их описанием  на рисунках 2.2.1 и 2.2.2.

Рисунок 2.2.1 – Эскизы возможных позиций  ПР 
 
 
 
 
 

Рисунок 2.2.2 – Эскизы возможных позиций  ПР 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.3 Построение  циклограммы работы модуля 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 Технологическая  подготовка операции механической  обработки для гибкого производственного  модуля