Автоматизация производственных систем

Операции механической обработки деталей заключаются в воздействии некоторого рабочего органа (инструмента) на обрабатываемый объект с целью изменения его формы и размеров. Для выполнения этих операций рабочие органы должны совершать по отношению к обрабатываемым объектам определенные перемещения. Реализация этих перемещений осуществляется станками с ЧПУ, в состав которых включаются необходимые рабочие органы. Технологические процессы, реализуемые на станках с ЧПУ, относятся к классу машинных технологических процессов.

Методы расчета управляющих программ для станков с ЧПУ базируются на математических моделях машинных технологических процессов, самих технологических машин - станков и их оснастки, а также обрабатываемых объектов.

Фундаментом для построения любой математической модели является то или иное пространство, в котором строится эта модель. При рассмотрении произвольного процесса принято использовать фазовое пространство, которое представляет собой множество всевозможных состояний этого процесса.

Рассмотрим фазовые пространства машинных технологических процессов

Одной из основных характеристик любого пространства является его размерность, которая для фазовых пространств определяется числом параметров, необходимых для описания соответствующих процессов. В число основных параметров, необходимых для описания машинного технологического процесса входят, прежде всего, координаты, определяющие расположение рабочего органа в процессе его перемещения относительно обрабатываемого объекта. Вторую группу основных параметров составляют скорости перемещения по этим координатам.

Для описания машинных технологических процессов могут быть использованы методы классической механики систем, состоящих из конечного числа твердых тел, в качестве которых можно рассматривать рабочие органы. Как известно, максимальная размерность фазового пространства системы из k твердых тел равна 12k. Отсюда следует, что максимальная размерность фазового пространства процесса, выполняемого одним рабочим органом, равняется 12. Однако практически закономерности, лежащие в основе конкретных рабочих процессов, накладывают связи на отдельные параметры, что в большинстве случаев приводит к уменьшению размерности фазовых пространств реальных технологических процессов, представленных в табл.9.1.

Перемещения рабочих органов, необходимые для выполнения заданных воздействий на обрабатываемый объект, осуществляются путем геометрического сложения перемещений рабочего органа и обрабатываемого объекта. В свою очередь, их абсолютные движения складываются из элементарных движений отдельных исполнительных органов, на которых закреплены соответственно рабочий орган и обрабатываемый объект.

Чтобы осуществить заданные движения к исполнительному органу должно быть подведено определенное количество механической энергии, для чего он включается в состав устройства, именуемого исполнительным агрегатом или приводом исполнительного органа.

Привод исполнительного органа является одним из основных структурных элементов любой современной технологической машины и первичным управляемым объектом. В этой связи станки с ЧПУ можно рассматривать как комплекс ее исполнительных агрегатов, объединенных системой управления.

При анализе структуры какой-либо технологической машины с ЧПУ необходимо прежде всего установить вид приводов исполнительных органов, количество их и порядок совместной работы, реализуемый системой управления.

Различные виды приводов исполнительных органов можно классифицировать по геометрической форме движения и типу управления. По геометрической форме движения приводы делят на линейные или поступательные и круговые или вращательные. С точки зрения управления обе эти разновидности могут иметь управление скоростью движения, управление по конечному положению и управление траекторией.

В случае управления первого типа программируется лишь скорость движения, а величины перемещений не задаются. При этом возможны два подтипа: ступенчатое управление скоростью и непрерывное. Управление второго типа, при котором не программируется скорость движения, принято называть позиционным или координатным. В третьем типе управления обычно выделяют два подтипа: упрощенный линейный, позволяющий реализовать лишь простейшие траектории, например в декартовых координатах, траектории, состоящие только из отрезков прямых, и контурный, позволяющий реализовать практически любую траекторию рабочего органа относительно изделия. Помимо этого существуют приводы исполнительных органов комбинированного типа, способные работать как в режиме позиционирования, так и в качестве приводов контурного типа.

На основании изложенного можно составить следующую таблицу (см. табл.9.2) классификации приводов исполнительных органов технологических машин с ЧПУ, введя для каждого из типов специальные обозначения.

Таблица 9.1 Фазовые пространства технологических процессов

Приводы с управлением скоростью движения используются в металлорежущих станках в качестве приводов главных движений, формирующих номинальную скорость резания.

Приводы исполнительных органов с управлением по конечному положению используют для установочных перемещений в процессе вспомогательных ходов, в течение которых рабочие органы не воздействуют на обрабатываемый объект.

Приводы с управлением движением используются в основном для реализации рабочих ходов, выполняемых исполнительными органами станков с ЧПУ в процессе непосредственного воздействия рабочего органа на обрабатываемый объект.

Для выполнения рабочего процесса система ЧПУ технологической машиной должна управлять совместной работой исполнительных агрегатов различных типов в определенном порядке.

Простейший порядок определяет последовательный характер работы исполнительных агрегатов, когда работа одного агрегата может начаться лишь по завершении работы другого.

Наиболее распространенный порядок определяет совместную одновременную работу нескольких агрегатов, в результате чего появляется возможность формирования различных траекторий движения рабочего органа относительно обрабатываемого объекта.

Наконец, возможно независимое управление работой какого-либо агрегата или комплекса агрегатов от других.

Таблица 9.2 Классификация приводов исполнительных органов

Если для каждого из перечисленных порядков управления ввести условные обозначения наподобие знаков алгебраических операций, то, объединяя с их помощью символ, определяющие типаж приводов исполнительных органов данной технологической машины с ЧПУ, можно построить структурную формулу этой машины. Закон совместной работы представляется в виде алгебраического сложения с допущением правила приведения подобных членов, последовательный закон - в виде умножения отдельных символов или многочленов, заключенных в круглые скобки, а выражения, определяющие структуру независимых комплексов исполнительных агрегатов, отделять друг от друга символом "точка с запятой".

Станки с ЧПУ делятся на следующие основные классы:

- сверлильные и расточные;

- токарные;

- фрезерные;

- токарно-фрезерные;

- сверлильно-фрезерные;

- шлифовальные;

- электроэрозионные.

Типичные структурные формулы для станков перечисленных классов:

VSr(2Ps)Ls - координатно-сверлильный или расточной станок с крестовым столом, ступенчатое управление скоростью вращения привода главного движения, позиционирование по двум координатам, управление рабочим ходом;

VSr(2Cs) - токарный станок, ступенчатое управление скоростью вращения привода главного движения, контурное управление по двум координатам (рис.1);

VSr(3Cs) - фрезерный станок, ступенчатое управление скоростью вращения привода главного движения, контурное управление по трем координатам (рис.3);

VCr(2Cs);(3Cs) - токарно-фрезерный станок, непрерывное управление скоростью вращения привода главного движения, контурное управление по двум координатам при точении и по трем - при фрезеровании (рис.2);

VCr(3Us)Pr - сверлильно-фрезерный станок, непрерывное управление скоростью вращения привода главного движения, комбинированное управление по трем координатам и позиционное поворотным столом;

VSr(2Cs) - шлифовальный станок, ступенчатое управление скоростью вращения привода главного движения, контурное управление по двум координатам;

2Ps - электроэрозионный станок позиционное управление по двум координатам.

Системы числового программного управления

Система числового программного управления (СЧПУ) представляет собой совокупность устройства числового программного управления (УЧПУ), устройства управления электроавтоматикой станка (программируемый контроллер), устройства управления приводами подач и датчиков обратной связи.

Общая функция УЧПУ заключается в декодировании управляющей программы и выдаче управляющих сигналов на устройства управления приводами подач. Общая функция декомпозируется на пять подфункций.

Таблица 9.3 Функции устройств числового программного управления

При наличии датчиков обратной связи управляющие сигналы формируются с учетом сигналов от этих датчиков, определяющих фактическое положение исполнительных агрегатов.

В приводе разомкнутых систем отсутствует датчик обратной связи, контроль величины перемещения осуществляется шаговыми двигателями.

УЧПУ управляет траекторией инструмента. Функция программируемого контроллера (ПК) заключается в подаче команд на приводы главного движения, переключения коробки передач, приводы подачи охлаждения и т.п.

По способу реализации основных функций системы ЧПУ делятся на следующие группы.

Таблица 9.4 Виды систем ЧПУ

В зависимости от технологического назначения систем и их состава выделяют следующие типы систем ЧПУ: позиционные и контурные, замкнутые и разомкнутые.

Позиционные предназначены для управления сверлильной и расточной обработкой.

Контурные применяют для токарных, фрезерных, элекроэрозионных станков.

Обозначения СЧПУ складываются из буквы, определяющей вид управления приводами подач, двух цифр, первая из которых определяет общее количество управляемых координат, а вторая - из них одновременно. Далее через дефис следует цифра, определяющая тип привода подач. Используются следующие обозначения:

П -позиционные(управление положением), Н -контурные(управление движением), У-универсальные (совмещают два режима работы);

1-шаговый привод, 2-следящий привод.

Например,Н32-1м означает контурная, З-х координатная, одновременно управляются две координаты, с шаговым приводом (т.е. разомкнутая).

Наиболее распространены: Н22,Н33 и Н55

Как правило в современных системах поддерживается линейно-круговая интерполяция, хотя есть и другие ее виды :только линейная, сферическая, эллиптическая, параболическая и т.п.

Устройства установки и съема заготовок и деталей

Функции установки и съема заготовок и деталей выполняются промышленными роботами и специализированными устройствами. Промышленный робот (ПР) - это машина-автомат, предназначенная для воспроизведения некоторых двигательных функций человека при выполнении вспомогательных и основных производственных операций и наделенная для этого некоторыми способностями человека (силой, памятью), а также способностью к обучению для работы в комплексе с другим оборудованием.

ПР являются частью таких систем, как РТК, которые могут функционировать автономно и осуществлять многократные циклы по изготовлению партий деталей или оперативно перенастраиваться под обработку индивидуальных деталей.

Кроме ПР используются автооператоры - автоматические машины, состоящие из исполнительного устройства в виде манипулятора (совокупность манипулятора и устройства передвижения) и неперепрограммируемого устройства управления. Автооператоры предназначены для выполнения одной заданной операции.

Робот состоит из:

- манипулятора

- системы программного управления

- информационной системы.

Манипулятор - устройство, предназначенное для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям руки человека при перемещении тела в пространстве или действующее автоматически. Манипулятор оснащается рабочим органом, предназначенным для непосредственного выполнения технологических операций и (или) вспомогательных переходов.

Система программного управления - совокупность средств, предназначенных для формирования и выдачи управляющих воздействий в соответствии с заданной программой. Ввод новых программ может осуществляться с управляющих ЭВМ более высокого уровня или с помощью человека-оператора. Перепрограммирование изменяет последовательность и (или) значения перемещений рабочих органов ПР

Информационная система - совокупность средств для получения и обработки информации о собственном состоянии промышленного робота и состоянии внешней среды.

Производственные роботы используются для выполнения технологических операций различных видов производств - литейного, сварочного, кузнечно-прессового, сборочного, окрасочного и т.п. Транспортные роботы предназначаются для межоперционной передачи заготовок, для автоматической загрузки и выгрузки, для укладки готовых изделий в тару и т.п.

Степень универсальности роботов обусловливает необходимый уровень соответствия ПР запланированным работам. Специальные ПР предназначаются обычно для выполнения однотипных операций. Они просты, экономичны и удобны в эксплуатации. Специализированные ПР используются для выполнения однотипных операций, в пределах которых обладают необходимой гибкостью. Технологические возможности специализированных роботов, состоящих из унифицированных модулей, расширяются путем варьирования компоновки ПР в зависимости от конкретных требований производства. Универсальные ПР предназначены для выполнения самых разнообразных операций при обширной номенклатуре изделий. Роботы этого типа имеют возможность быстрого перепрограммирования, но они соответственно дороже и сложнее в эксплуатации. Универсальные ПР обладают :6-ю и более степенями подвижности.

Роботы с неподвижными корпусами используются как при обслуживании различного оборудования, так и при выполнении основных технологических операций. При этом они могут устанавливаться на подставках различных конструкций перед обслуживаемым оборудованием или непосредственно на нем. Эти ПР удобны в эксплуатации, но их технологические возможности ограничены пределами рабочей зоны манипулятора.

Подвижные напольные ПР перемещаются вдоль технологического оборудования на рельсовых направляющих или на автоматических тележках-робокарах. Подвижные подвесные ПР передвигаются по монорельсам, расположенным над обслуживаемым оборудованием. Подвижные ПР могут обслуживать несколько единиц технологического оборудования, расположенного вдоль трассы передвижения. Это расширяет технологические возможности ПР, но усложняет условия эксплуатации. Особую группу составляют ПР вертикального перемещения, использующие захватные устройства для пошагового перемещения по стенкам.

Грузоподъемность определяет способность ПР брать, удерживать и транспортировать предметы с регламентируемой массой. Эта характеристика ПР наряду с подвижностью корпуса является одной из основных классификационных характеристик. Сверхлегкие роботы грузоподъемностью не выше 1 кг в основном применяются на вспомогательных операциях и при сборке. Обычно они представляют собой простые специализированные пневматические ПР, обладающие высоким быстродействием. ПР малой грузоподъемности обладают средним быстродействием и более сложной кинематикой движений при различных типах приводов. ПР средней грузоподъемности бывают специальными, специализированными и универсальными. Приводы у них чаще всего гидравлические, электромеханические и универсальные, обеспечивающие скорость перемещений около 0,5 м/с. Тяжелые ПР грузоподъемностью свыше 100 кг относятся к группе специальных и специализированных. Движения реализуются гидравлическими и электромеханическими приводами с малым быстродействием.

Классификация промышленных роботов (ПР)

Пневматические приводы применяются в ПР с грузоподъемностью, как правило, до 10 кг и создаются на базе пневматических цилиндров и турбинок. Преимущество подобных приводов заключается в простоте и надежности конструкции, а также дешевизне сжатого воздуха как вида энергии. Недостатки прежде всего связаны со сложностью промежуточного позиционирования исполнительного механизма и управлению скоростью при перемещении. Гидравлические приводы применяются в ПР с большой грузоподъемностью и создаются на базе гидравлических цилиндров и двигателей. Гидравлические приводы компактны и способны развивать большие усилия. Технологические возможности их расширяются за счет обеспечения регулирования усилий в исполнительных механизмах и скоростей перемещения. Недостатки данных приводов--небольшая быстроходность и повышенные требования к условиям эксплуатации, связанные с использованием жидкости в качестве рабочего тела. Электромеханические приводы применяются в ПР с различной грузоподъемностью и создаются на базе электродвигателей постоянного и переменного тока, а также шаговых двигателей. Роботы с электроприводами обладают наибольшей технологической гибкостью и хорошо стыкуются с обслуживаемым оборудованием. Они достаточно надежны в работе, просты в обслуживании, регулировании, не имеют трубопроводов, так как питаются электроэнергией. К их недостаткам можно отнести сравнительно низкие показатели удельной мощности. Комбинированные приводы представляют собой различные сочетания рассмотренных типов приводов и создаются для расширения технологических возможностей ПР.