Обработка деталей на станках с ЧПУ - Фельдштейн Е.Э., Корниевич М.А.

Автор: Фельдштейн Е.Э. Корниевич М.А.
Теги: формообразование со снятием стружки молоты и прессы разделительные операции без образования стружки, дробление и измельчение, обработка листового материала, изготовление резьбы информационные технологии вычислительная техника обработка данных общая технология машиностроения обработка металлов машиностроение станки станкостроение учебное пособие технология машиностроения обработка деталей
ISBN: 978-985-475-280-8
Год: 2008
Похожие
Организация и оперативное управление машиностроительным производством
Обработка материалов резанием
Автоматизация производственных процессов в машиностроении
Технология автоматизированного машиностроения
Текст
                    ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

с\^
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Е.З. ФЕЛЬДШТЕЙН, М.А. КОРНИЕВИЧ
ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ

НА СТАНКАХ С ЧПУ
УДК 621.9.06-529:004(075.8)
ББК 34.5я73
Ф39
Серия основана в 2005 году
Рецензенты:
кафедра «Технология машиностроения» Брестского государственного
технического университета (зав. кафедрой — кандидат технических наук,
доцент АЛ. Акулич);
зав. кафедрой «Металлорежущие станки и инструменты»
Гомельского государственного технического университета им. П.О. Сухого,
кандидат технических наук, доцент МЛ. Михайлов
Фельдштейн, Е.Э.
Ф39 Обработка деталей на станках с ЧПУ : учеб, пособие /
Е.Э. Фельдштейн, М.А. Корниевич. — 3-е изд., доп. —
Минск : Новое знание, 2008.— 299 с.: ил. — (Техническое
образование).
ISBN 978-985-475-280-8.
Изложены общие сведения об автоматизации производства и основы
построения гибких производственных систем. Рассмотрены компоновоч-
ные схемы и технологические возможности современных станков с ЧПУ.
Описаны различные системы управления станками, а также инструмен-
тообеспечение, надзор и диагностика гибких производственных систем.
В данное издание добавлен материал по эффективности работы режущего
_ инструмента в условиях ГПС. Качественные иллюстрации значительно об-
легчают усвоение материала.
Для студентов машиностроительных специальностей технических выс-
ших учебных заведений, аспирантов и инженерно-технических работни-
ков машиностроительных предприятий.
УДК 621.9.06-529:004(075.8)
ББК 34.5я73
© Фельдштейн Е.Э., Корниевич М.А., 2005
© Фельдштейн Е.Э., Корниевич М.А., 2007,
с изменениями
ISBN 978-985-475-280-8	© Оформление. ООО «Новое знание», 2007
Предисловие
Развитие промышленного производства определяется ростом про-
изводительности труда. Производительность технологической опе-
рации в любой отрасли промышленности зависит от затрат времени
на выполнение главных функциональных действий (основное вре-
мя), вспомогательных действий (вспомогательное время) и потерь
времени, обусловленных плохой организацией труда (организаци-
онные потери) и длительным выполнением некоторых дополнитель-
ных действий (собственные потери). Сокращения основного времени
можно добиться путем совершенствования технологии обработки,
а также конструктивными изменениями в оборудовании. Миними-
зация организационных потерь времени предполагает тщательную
проработку условий организации производства, доставки материалов
и комплектующих, налаженные кооперационные связи и многое дру-
гое, а сокращение вспомогательного времени и собственных потерь
связано с механизацией и автоматизацией производства. Автомати-
зация производства возможна только на основе новейших достижений
науки и техники, применения прогрессивной технологии и использо-
вания передового производственного опыта. Развитие автоматизации
производства приводит к значительному повышению его эффектив-
ности. Это связано, с одной стороны, с улучшением организации произ-
водства, ускорением оборачиваемости оборотных средств и лучшим
использованием основных фондов, с другой — со снижением себестои-
мости обработки, расходов на заработную плату, энергию, с третьей —
с возрастанием культуры производства, качества выпускаемой про-
дукции и т.д.
Во второй половине XX в. основной упор был сделан на более про-
стую, так называемую жесткую, автоматизацию, т.е. автоматизиро-
ванное выполнение одних и тех же операций на одном и том же
оборудовании в течение длительного времени. Именно таковы прин-
ципы использования автоматических линий и агрегатных станков
в машиностроении. Однако развитие промышленности на современ-
ном этапе привело к постепенной замене жесткой автоматизации на
гибкую.
Гибкая автоматизация дает возможность быстрого перевооружения
производства для выполнения технологических функций с опреде-
ленной производительностью обработки на основе максимального
использования вычислительной техники и электроникй.
В данном учебном пособии авторами обобщен многолетний опыт
преподавания технологических дисциплин, связанных с гибкой авто-
матизацией машиностроительного производства, в первую очередь
4	Предисловие
с обработкой деталей на станках с числовым программным управле-
нием (ЧПУ). Основное внимание уделено возможностям гибкой ав-
томатизации и обеспечению ее длительного функционирования —
движению заготовок и инструментов внутри гибкой системы и управ-
лению этим движением.
Авторы выражают благодарность рецензентам: заведующему ка-
федрой «Технологии машиностроения» Брестского государственного
технического университета, кандидату технических наук, доценту
А.П. Акуличу и заведующему кафедрой «Металлорежущие станки
и инструменты» Гомельского государственного технического уни-
верситета им. П.О. Сухого, кандидату технических наук, доценту
М.И. Михайлову за ценные советы по улучшению содержания книги.
Список основных сокращений
ГАП — гибкая автоматизация производства
ГПМ — гибкий производственный модуль
ГПС — гибкая производственная система
ГПЯ — гибкая производственная ячейка
ИРК — инструментально-раздаточная кладовая
КПП — контрольно проверочный пункт
ОТК — отдел технического контроля
ППР — планово-предупредительный ремонт
ПС — производственная система
РМ — рабочее место
СИО — система инструментообеспечения
СОЖ — смазывающе-охлаждающая жидкость
СОТС — смазывающе-охлаждающая технологическая среда
СРП — сборно-разборное приспособление
ТС — технологическая система
УСП — универсально-сборное приспособление
УСПО — универсально-сборная переналаживаемая оснастка
ЦИЛ — центрально-измерительная лаборатория
ЦИС — центральный инструментальный склад
ЧПУ — числовое программное управление
1.1.
ОБШИБ СВЕДЕНИЯ О ГИБКОЙ
АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА
______________________________
Основные понятия гибкой автоматизации
производства
Учитывая неоднородность автоматизированных средств произ-
водства, следует уточнить основные понятия, термины и определения,
используемые в машиностроении промышленного производства. За ос-
нову принята терминология по ГОСТ 26228—84.
Производство — комплекс скоординированных рабочих процес-
сов, в которых сознательная целевая деятельность людей направлена
на создание материальных благ (продукты, услуги) либо информаци-
онных потоков для удовлетворения соответствующих потребностей
общества.
Система — собрание материальных или виртуальных (схема,
математическая модель) объектов, идентифицированных с учетом
свойств и особенностей, отличающих данную систему от всех прочих
систем. С этой точки зрения под системой можно понимать любой
технический объект, в котором выделены связи между входными
и выходными параметрами, даже без рассмотрения физических или
иных явлений, происходящих во время функционирования объекта
и определяющих условия этого функционирования. Типичный при-
мер такого подхода — системы резания [1].
Производственная система (ПС) — статичная или динамичная
комбинация людских, материальных и финансовых ресурсов, обес-
печивающая превращение действий на входе в систему (работа пер-
сонала, предметы и орудия труда, информация) в результаты на выхо-
де из системы (промышленные изделия, материализованные услуги,
новая информация).
Изготовление — часть процесса производства, в ходе реализа-
ции которой с помощью средств производства, технологий изготов-
ления происходит превращение сырья и полуфабрикатов в новые
промышленные изделия.
Технологическая система (ТС) — совокупность функционально
связанных средств технологического оснащения, предметов произ-
1.1. Основные понятия гибкой автоматизации производства	7
водства, финансов и исполнителей, предназначенная для выполне-
ния того или иного технологического процесса либо операции. Так,
например, станочная ТС может служить для обработки конкретной
поверхности детали или как одна из многих подсистем входить в общую
систему для обработки детали, а в дальнейшем — сборки машины.
Техническая система — комплекс, выполняющий конкретные
функции в технологической системе. Название таких систем опреде-
ляется их целевым назначением. Например, в металлорежущем станке
это могут быть гидравлическая система, система управления, система
надзора и диагностики и т.д.
Структура системы — комплект пространственно-временных
связей между элементами системы.
Подсистема — система низшего уровня, выделенная в сложной
системе.
Автоматизация производства — использование технических
средств для автоматического управления и контроля производст-
венных процессов. При этом в отличие от механизации, которая
направлена на облегчение физического труда работника, автомати-
зация нацелена на сокращение (устранение) непосредственного уча-
стия человека в производственном процессе и ориентацию его на
программирование и общий надзор над процессом. Автоматизация
может охватывать средства производства (технологические ма-
шины), отдельные составляющие процессов изготовления (мани-
пуляция предметами, их транспортирование, складирование, кон-
троль), а также процесс изготовления полностью (комплексная
автоматизация).
Гибкая автоматизация производства (ГАП) — автоматизация,
обеспечивающая быстрое и легкое переоснащение (переналадку)
и смену программы работы средств производства в соответствии с из-
менениями требований производства. Такая автоматизация является
антиподом жесткой автоматизации, предназначенной для произ-
водства изделий только одного типа, трансформация которой требует
весьма значительных затрат времени, труда и финансовых ресурсов.
Гибкий производственный модуль (ГПМ) — единица техноло-
гического оборудования, автоматически осуществляющая техноло-
гические операции в пределах ее технологических характеристик,
способная работать автономно и в составе гибких производственных
систем или ячеек. В ГПМ входят устройства: ЧПУ, адаптивного
управления, контроля и измерения, диагностики.
Гибкая производственная ячейка (ГПЯ) — управляемая сред-
ствами вычислительной техники совокупность нескольких ГПМ
8	1. Общие сведения о гибкой автоматизации производства
й систем обеспечения функционирования, способная работать авто-
номно и в составе гибкой производственной системы при изготовлении
изделий в пределах подготовленного запаса заготовок и инстру-
мента. В систему обеспечения функционирования ГПЯ входят авто-
матизированная система управления технологическим процессом,
автоматизированная система управления технологическим обору-
дованием, автоматизированная транспортно-складская система,
система автоматического контроля, автоматизированная система
инструментообеспечения, автоматизированная система удаления
отходов и др.
Гибкая производственная система (ГПС) — управляемая сред-
ствами вычислительной техники совокупность технологического
оборудования, состоящая из разного сочетания ГПМ и(или) ГПЯ, ав-
томатизированной системы технической подготовки производства
и системы обеспечения его функционирования, обладающая возмож-
ностью автоматизированной переналадки при изменении программы
производства изделий, разновидности которых ограничены техно-
логическими возможностями оборудования.
Сущность гибких производственных
1.2.
Гибкая автоматизация производства может быть частичной или
комплексной. В последнем случае кроме автоматизации непосред-
ственно технологических процессов автоматизируются также все
необходимые вспомогательные процессы и сводятся к минимуму
функции обслуживания. Такая автоматизация обеспечивает авто-
матическую работу производственной системы в течение длитель-
ного времени.
Главная особенность ГПС по сравнению с прежними формами
организации производства, обеспечивающая высокую производи-
тельность (например, автоматические линии), -^возможность про-
изводства целой группы изделий в произвольном (в соответствии
с требованиями дня) порядке и небольшими партиями, причем та-
кая организация производства не оказывает значительного влияния
на его экономические показатели. В настоящее время под ГПС пони-
мают системы, включающие средства производства, которые харак-
теризуются легкостью переналадки и адаптации к изменяющимся
требованиям производства. Цель использования ГПС — достижение
1.2. Сущность гибких производственных систем	9
эффективности производства, сравнимой с эффективностью массо-
вого производства, но для небольших партий разнородных деталей.
Наиболее часто ГПС рассматривают как комплексную систему
технологических машин (в большинстве случаев — металлорежущих
станков), транспортных средств, оснастки и прочих средств произ-
водства, которые полностью управляются с помощью компьютера.
Станки в этом случае укомплектованы оснасткой для смены загото-
вок и режущих инструментов, что обеспечивает возможность обра-
ботки различных деталей без потерь времени на переналадку станка.
В последнее время ГПС часто трактуют как способ организации
производства, обеспечивающий полное управление производствен-
ным процессом и рационализирующий этот процесс. Такой подход
означает необходимость анализа каждой составляющей производст-
ва продукции на данном предприятии и тщательной временной сты-
ковки с другими составляющими.
Используя ГПС, можно обеспечить:
□	гибкость выбора различных заготовок для обработки в течение
определенного времени;
□	возможность добавления или удаления конкретной заготовки
из разработанного ранее производственного задания на обработку
деталей;
□	гибкость технологического маршрута, т.е. возможность замены
станка для обработки конкретной детали, например в случае измене-
ния производственного задания или отказа станка;
□	возможность быстрого внедрения в производство конструктив-
ных изменений в обрабатываемых деталях;
□	возможность изменений в программе выпуска конкретных де-
талей;
□	возможность производства различных деталей в разных ГПС
в рамках одного предприятия.
Возможности ГПС весьма привлекательны для лидеров современ-
ного промышленного производства. С одной стороны, они позволяют
объединить высокую производительность с малыми объемами партий
деталей или изделий, с другой — внедрить безлюдные технологии
и значительно снизить производственные расходы на заработную
плату. А это дает предприятию возможность быстрее, чем когда-ли-
бо, реагировать на требования рынка.
10	1. Общие сведения о гибкой автоматизации производства
Тенденции развития гибких
производственных систем
1.3;-
В настоящее время ГПС функционируют главным образом в про-
мышленно развитых странах — США, Японии, Южной Корее, стра-
нах Западной Европы и т.д. Обусловлено это целым рядом причин,
определяющих возможность их использования. Эти причины связаны
с рынком потребителей продукции, возможностями предприятий
и используемыми технологиями и могут быть условно разделены на
три группы: 1) технические; 2) экономические; 3) общественные.
Две последние группы имеют своего рода принудительный характер,
поскольку обусловлены хозяйственной и политической ситуацией
в стране и происходящими в ней социальными изменениями. Пер-
вая группа связана с техническим уровнем используемых средств
производства, а также с уровнем технологии и организации произ-
водства. Более подробно факторы и цели использования ГПС пред-
ставлены на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Факторы, влияющие на возникновение и развитие ГПС [2]
Весьма важным для предприятия является обеспечение соответ-
ствующего качества производимых изделий, их технического уровня
при сохранении конкурентоспособной цены. Требования современ-
1.3. Тенденции развития гибких производственных систем
11
ного рынка характеризуются непрерывными изменениями, что за-
ставляет производителей разделять и конкретизировать ассортимент
выпускаемой продукции, сокращать количество одинаковых изде-
лий в партии. Это способствует переходу от массового и крупносе-
рийного производства к мелкосерийному и единичному. Типичный
пример, иллюстрирующий данное явление, — изменения в структу-
ре и организации автомобилестроения. В настоящее время легковые
автомобили выпускают небольшими сериями, с большим количест-
вом модификаций; предусмотрена возможность выполнения инди-
видуальных заказов. Это приводит к необходимости использования
таких гибких систем, которые обеспечивали бы быстрые изменения
в действующем производстве.
Переориентация промышленности на выпуск широкого ассорти-
мента продукции малыми сериями (партиями) выявила недостатки
используемых ранее форм организации производства. Так, извест-
но, что повышения производительности труда можно достичь путем
сокращения либо основного времени, либо вспомогательного. В пер-
вом случае можно использовать все более и более производительные
методы обработки (например, при обработке плоскостей: строгание ->
цилиндрическое фрезерование —> торцовое фрезерование —> непре-
рывное торцовое фрезерование -> глубинное шлифование и т.д.).
Однако важнее использование резервов при организации вспомога-
тельных процессов. Автоматизация и роботизация производства по-
могают в значительной степени снизить затраты времени,
связанные с базированием, закреплением, снятием, перемещением
обрабатываемых деталей, приспособлений, режущих инструментов.
Необходимость развития ГПС обусловлена также требованиями
должного уровня организации цикла подготовки производства и ин-
теграции этой деятельности с оперативным управлением производ-
ством. Основные проблемы здесь связаны с обеспечением должного
уровня информации и принятия решений. В случае удачного реше-
ния проблемы появляется возможность эффективного использова-
ния автоматизированного производственного оборудования.
Появление и развитие ГПС стало возможным только при широком
использовании современных технологических машин, характери-
зующихся гибкостью функционирования. Главное здесь — развитие
систем ЧПУ производственным оборудованием и использование воз-
можностей современных технологий на уровне информации и приня-
тия решений. Способствуют развитию ГПС также улучшение конст-
рукций металлорежущих станков (например, линейные двигатели),
металлорежущих инструментов (сменные пластины, использование
12	1. Обшие сведения о гибкой автоматизации производства
износостойких покрытий), появление новых конструкционных мате-
риалов (искусственные граниты, стали повышенной обрабатываемо-
сти) и др.
Следует хотя бы кратко сказать и о роли социальных процессов
в развитии ГПС. В постиндустриальном обществе снижается заинте-
ресованность в труде, пусть и высокооплачиваемом, но требующем
значительных физических усилий и опасном для здоровья, и уве-
личивается заинтересованность в труде творческом, интеллекту-
альном.
Подводя итоги, можно сказать, что использование ГАП позволя-
ет: в мелко- и среднесерийном производстве — повысить уровень ав-
томатизации с сохранением гибкости; в крупносерийном и массовом
производстве — повысить гибкость при сохранении существующего
уровня автоматизации.
Эффективность гибкой автоматизации
1.4.
производства
Известно, что в структуре времени обработки деталей на основе
традиционных технологий доля основного времени составляет только
около 30 %, а оставшаяся часть приходится на вспомогательное
и подготовительно-заключительное время. Автоматизация в ряде
случаев позволяет сократить их на 80 %. Еще более значительный
эффект может быть достигнут в течение достаточно длительного вре-
мени функционирования ГАП, например в течение года. Это легко
заметить при анализе данных, приведенных в табл. 1.1 и 1.2.
Таблица 1.1
Использование годового фонда рабочего времени
токарных станков с ручным управлением [3]
Затраты времени	Доля, %
Субботы, воскресенья, праздничные дни	34
Отсутствие третьей смены	22
Отсутствие второй смены	22
Организационные потери времени	10
Технологические потери времени (переналадка и т.д.)	6
Непосредственно обработка	6
1.4. Эффективность гибкой автоматизации производства	13
Таблица 1.2
Использование годового фонда рабочего времени станков с ручным
управлением для обработки корпусных деталей [4]
Затраты времени	Доля, %
Субботы, воскресенья, праздничные дни	28
Отсутствие второй и третьей смен	40
Простои	6
Переналадки	7
Смена режущих инструментов	7
Установка и снятие деталей и другие вспомогательные действия	4
Непосредственно обработка	8
К основным достоинствам ГАП следует отнести:
□	возможность быстрой реакции предприятия на требования
внутренних и зарубежных рынков;
□	повышение и сохранение качества выпускаемой продукции;
□	повышение производительности труда, в первую очередь в ре-
зультате использования станков с высокой концентрацией операций;
□	увеличение действительного фонда времени работы машин за
счет работы в три смены, работы во время отпусков и болезней персо-
нала;
□	уменьшение численности обслуживающего персонала, что приво-
дит к снижению затрат на заработную плату и социальные отчисления;
□	значительное улучшение условий труда, в первую очередь за
счет исключения тяжелой, неквалифицированной работы;
□	возможность снижения себестоимости продукции.
Исследования, проведенные в ФРГ, США, Швейцарии и других
странах, показали, что эффективное время обработки на традиционных
металлорежущих станках и станках с ЧПУ в случае участия человека
(оператора) составляет только 6... 10 % годового фонда рабочего вре-
мени. Это привело к созданию ГПМ и ГПС, обеспечивающих работу
в три смены с минимальный участием человека. Эффективность ГАП
можно проиллюстрировать с помощью данных швейцарской фирмы
«Erowa» (рис. 1.2). На рисунке выделено пять уровней автоматизации:
1) автоматизация без дополнительной оснастки и оборудования —
станки с ЧПУ, обслуживаемые операторами, не соединенные с транс-
портными системами, накопителями деталей и с различными систе-
мами закрепления деталей;
2) нормализация — использование одного и того же способа за-
крепления деталей на всех станках в течение цикла обработки (уни-
версальная инструментальная оснастка, палеты и др.);
14
1. Обшие сведения о гибкой автоматизации производства
оснастки
Рис. 1.2. Годовой фонд времени работы фрезерных станков (8760 ч)
с различной степенью автоматизации по данным фирмы «Erowa» [2]
Рис. 1.3. Снижение стоимости машино-часа работы станков
с различной степенью автоматизации по данным фирмы «Erowa» [2]
1.4. Эффективность гибкой автоматизации производства
15
Без специализированной
оснастки
Нормализация
Правильная организация
производства
Частичная
автоматизация
Жесткая
автоматизация
Гибкая
автоматизация
Рис. 1.4. Сокращение времени реализации заказов при использовании станков
с различной степенью автоматизации по данным фирмы «Erowa» [2]
3)	правильная организация производства — закрепление загото-
вок в приспособлениях вне станка с использованием принятой системы
координат и введением поправок в программу обработки; система
прецизионного закрепления, реализованная на втором уровне и обес-
печивающая транспортирование и установку палеты на станке прак-
тически без погрешностей;
4)	жесткая автоматизация — использование средств автоматиза-
ции, в частности автоматическая смена режущих инструментов + сме-
на палет оператором или автоматическая замена режущих инстру-
ментов + смена палет манипулятором;
5)	гибкая автоматизация — использование средств гибкой авто-
матизации, в частности смена инструментов и палет программируе-
мым промышленным роботом.
Увеличению времени эффективного использования машин сопут-
ствует снижение стоимости машино-часа их работы (рис. 1.3). Под
термином «интеграция» понимается объединение станков в систему
с помощью локальной компьютерной сети с целью объединения пе-
ремещаемых деталей, режущих инструментов и соответствующих по-
токов информации.
Увеличение времени эффективного использования машин спо-
собствует также сокращению времени реализации заказов (рис. 1.4).
16
1. Обшие сведения о гибкой автоматизации производства
Литература
1.	Ящерицын П.И. Теория резания: Физические и тепловые процессы
в технологических системах / П.И. Ящерицын, М. JI. Еременко, Е.Э. Фельд-
штейн. Мн.: Выш. шк., 1990. 512 с.
2.	Honczarenko J. Elastyczna automatyzacja wytwarzania: Obrabiarki i sy-
stemy obrobkowe. Warszawa: WNT, 2000. 486 s.
3.	Wrotny L.T. Rozwoj elastyczne zautomatyzowanego wytwarzania w ob-
robce skrawaniem — od obrabiarek NC do komputerowo zintegrowanej pro-
dukcji (CIM) // Mechanik. 1991. № 10. S. 333-338.
4.	Breit S. Flexible Fertigung / S. Breit, T.P. Doerken, L. Laufenberg //
VDI-Zeitschrift. 1994. № 9. S. 40-57.
ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ГИБКИХ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ
Элементы производственного
процесса
Основным элементом производственного процесса является тех-
нологический процесс, состоящий из последовательности техноло-
гических операций, в результате которых происходят изменения
формы, размеров и свойств поверхностного слоя деталей, а также их
взаимного расположения (процессы сборки). Технологические про-
цессы происходят во времени и в пространстве. Это, в свою очередь,
требует складирования, транспортирования, консервации и контроля.
Производственный процесс всегда рассматривается применительно
к конкретному изделию и происходит в определенных производст-
венных ячейках! Первичной производственной ячейкой является
рабочее место (РМ), где происходит объединение трех главных со-
ставляющих производственного процесса: труда работника, средств
производства и предмета труда. Эту ячейку, например металлорежу-
щий станок или ГПМ, можно назвать ячейкой кулевого уровня. При
объединении таких ячеек согласно определенному принципу полу-
чим ячейки первого уровня, например производственные ячейки
или линии. Объединение же последних позволяет создать ячейки
второго уровня, например ПС.
Все реализуемые в ПС процессы можно с учетом их влияния на
достижение целей и задач ПС разделить на процессы непосредствен-
ного производства и дополняющие процессы. К последним относятся
вспомогательные процессы, а также процессы управления и инфор-
мационные.
Производственные процессы реализуют основные цели и задачи
ПС по производству промышленных изделий или материальных услуг.
Дополняющие процессы обеспечивают обслуживание всех производ-
ственных процессов с помощью действий, услуг или информационных
потоков. В результате создается сеть. материальных, энергетических
и информационных сшад^^деецсду элемейТШи фс и окружающей
средой.
18	2. Основы построения гибких производственных систем
ПС состоит из специализированных подсистем. Такая специализа-
ция касается, например, выполнения конкретных технологических
операций (группы операций) на конкретном изделии (конкретной
группе изделий). Она служит основой разработки структуры ПС пу-
тем соединения соответствующих подсистем.
Одно из развиваемых в настоящее время направлений разработки
ПС — возрастание степени их автономности. Обеспечивается это
путем создания объединенных (интегрированных) ПС, в которых
происходит объединение функций и устройств, необходимых для
качественной реализации производственного процесса. Суть такого
объединения заключается в функционально-пространственном объ-
единении конкретных подсистем с одновременной концентрацией
производства и касается обработки, транспортирования, манипу-
лирования и складирования изделий, управления производством.
Наиболее простой случай — соединение РМ только системой транс-
портирования изделий.
Существуют две формы интеграции ПС — функциональная и тех-
ническая. Функциональная интеграция заключается в объединении
в производственных ячейках конкретных функций, выполняемых
в ходе реализации производственных и вспомогательных процессов.
В этом случае обеспечивается определенная специализация процесса
производства. Техническая интеграция характеризует технический
уровень указанных функций в пределах одной производственной
ячейки, что обеспечивает изменение количества используемых уст-
ройств и возрастание их универсальности. Примером интеграции
одновременно функциональной и технической являются многоцеле-
вые станки, в которых имеет место концентрация различных методов
обработки (фрезерования, растачивания, сверления и т.д.), выпол-
няемых производственных функций (обработка, смена инструментов,
палет с деталями и т.д.), а также объединение в одной конструкции
технических устройств для реализации указанных функций.
Интеграция благоприятствует автоматизации ПС. Фактором, спо-
собствующим автоматизации, являются значительные объемы произ-
водства. Дорогостоящее оборудование в этом случае окупается гораздо
быстрее за счет значительных амортизационных отчислений. Именно
это способствовало в свое время широкому внедрению в автомобиле-
строение автоматических линий обработки деталей и сборки.
2.2. Структура гибких производственных систем
19
Структура гибких производственных
2.2.
систем
Структурой ГПС называется сеть связей между ее элементами,
которые могут рассматриваться как в статике (конфигурация и кон-
струкция), так и в динамике (изменения во времени). Каждая ГПС
может быть представлена в виде комплекса подсистем, показанных
на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Функциональные подсистемы ГПС
Взаимодействие функциональных подсистем ГПС показано на
рис. 2.2.
Рис. 2.2. Взаимодействие подсистем ГПС
(стрелками показаны прямые и обратные связи)
20	2. Основы построения гибких производственных систем
Технологическая подсистема ГПС включает основные техноло-
гические устройства, использование которых определяется типом
обрабатываемых деталей и технологией их обработки. К таким уст-
ройствам относятся машины и приспособления на соответствующих
РМ, с помощью которых реализуются операции технологических
процессов обработки, сборки, а также операции мойки, чистки и т. д.
Информационная подсистема на локальном уровне состоит из
подсистемы управления и подсистемы надзора и диагностики. Она
обеспечивает возможность функционирования ГПС без непосредст-
венного участия оператора. Подсистема управления может содер-
жать центральный (главный) компьютер и автономные подсистемы
для управления работой каждой из составляющих подсистем. Под-
система надзора и диагностики обеспечивает проверку как кор-
ректности работы машины, так и точности обработанных деталей.
Движение информации в ГПС имеет иерархическую структуру,
в которой можно выделить три уровня принятия решений (рис. 2.3).
В дальнейшем будет рассматриваться только низший (текущий)
уровень.
Рис. 2.3. Уровни принятия решений и управления производством
Подсистема перемещения материалов включает технические
средства, обеспечивающие связи между элементами производствен-
ной подсистемы и управляет перемещениями инструментов, деталей
и приспособлений для их закрепления. Эта подсистема обеспечи-
вает складирование, транспортирование соответствующих элементов
2.3. Формы организации гибких производственных систем	21
и манипулирование ими. Складирование заключается в хранении об-
рабатываемых изделий до и после обработки, а также в обеспечении
требуемых перерывов в перемещении элементов для нормальной ра-
боты технических устройств. Транспортирование служит для изме-
нения местоположения (перемещения) соответствующих элементов.
Манипулирование обеспечивает перемещение с одновременной сменой
ориентации, например перемещение детали в рабочую зону станка.
Рассмотренные действия могут реализовываться независимо друг от
друга либо быть объединены. Последнее перспективнее, хотя и тре-
бует разработки более сложной системы управления. Наиболее часто
встречается объединение двух функций: транспортирования и мани-
пулирования или транспортирования и складирования.
Разделение ГПС на подсистемы касается в первую очередь произ-
водственных ячеек высокого уровня. На нулевом уровне практически
все рассмотренные функции выполняет оператор, обслуживающий
данное РМ.
Формы организации гибких
производственных систем
Основные положения. Расположение конкретных устройств, вхо-
дящих в ГПС, зависит от структуры последней, которая создает
между элементами и подсистемами комплекс связей, обеспечиваю-
щий движение материальных, энергетических и информационных
потоков. С точки зрения способа расположения основное значение
имеет перемещение обрабатываемых изделий или носителей с изде-
лиями, менее значимо перемещение вспомогательных элементов.
В каждой системе перемещения материалов реализуются функции
складирования, транспортирования и манипулирования (см. § 2.2).
Устройства для реализации данных функций объединяют рабочие
(технологические) места и вспомогательные устройства. Связи, опре-
деляющие способ размещения устройств, создают пространственную
структуру ГПС. Основные факторы, влияющие на пространствен-
ную структуру, — технологический маршрут обработки и степень
интеграции ГПС.
Существуют следующие формы организации (структуры) ГПС:
концентрированная, замкнутая (ячейка), линейная, с центральным
магазином-накопителем обрабатываемых изделий.
22	2. Основы построения гибких производственных систем
Выбор формы организации ГПС зависит от коэффициента коопе-
рации рабочих мест Н [1]:
Концентрированная ......................
Замкнутая (ячейка):
простая ................................
сложная..............................
Линейная:
простая .............................
сложная..............................
С центральным магазином-накопителем
обрабатываемых изделий .................
* п — количество РМ.
Н = 0
2
Н=2----; 1 < Н < 2 для п > 2
п *
Я=5 - —; 3 < Н 5 для п > 4
п
2
Н=2 —; 1 < Н < 2 для п > 2
п
Я=4-—; 2<Н<4 для п>3
п
g
5 — <Н<п-1 для п>4
п
Концентрированная форма. Данная структура ПС характеризу-
ется тем, что все операции, необходимые для полной обработки изде-
лия, выполняются на одном РМ. В зависимости от типа производства
на нем может обрабатываться одно изделие либо целый ряд часто
сменяемых изделий (с учетом технических возможностей данного
РМ). В соответствии с принципами концентрации труда можно соз-
давать производственные ячейки, в том числе полностью автомати-
зированные. Обеспечение материалами в данном случае охватывает:
□ доставку заготовок с внешнего склада на РМ;
□ складирование заготовок на промежуточном складе;
□ перемещение заготовок на станок и их закрепление;
□ обработку;
□ снятие обработанной детали со станка;
□ складирование обработанных деталей на промежуточном складе;
□ транспортирование деталей на центральный склад, другие ГПС
либо на сборку.
Концентрация данных функций с одновременной их автоматиза-
цией приводит к созданию автономных (гибких) РМ как формы ин-
тегрированных ПС.
Замкнутая форма (ячейка). Организация ПС в данном случае яв-
ляется результатом специализации системы. Обрабатываемые изделия
требуют одних и тех же технологических операций, однако техноло-
2.3. Формы организации гибких производственных систем	23
гические маршруты обработки различны. Это обусловливает движение
заготовок в различных не связанных между собой направлениях,
пропуск некоторых РМ, в связи с чем можно говорить о разветвлен-
ной сети связей между ними как о характерной для данной структуры.
Транспортирование и складирование в данном случае также связаны
с РМ. По сравнению с линейными структурами номенклатура обра-
батываемых изделий значительно шире, а в ГПС может одновремен-
но обрабатываться много различных изделий.
В ГАП с ячеистой структурой обработка изделий, как правило,
многоуровневая. РМ могут быть специализированными либо техно-
логически взаимозаменяемыми. В первом случае для каждой опера-
ции обработки используются различные технологические машины,
что требует высокой надежности их работы. Во втором случае все
операции могут быть реализованы на каждом РМ, например много-
целевом станке. Взаимозаменяемость делает ПС более устойчивой
к возмущениям (отказам). В ГАП кроме РМ, непосредственно свя-
занных с обработкой, дополнительно включены места для мойки,
чистки, консервации и контроля (измерительные машины).
В системах с ячеистой структурой могут быть использованы сле-
дующие способы размещения РМ: функциональный, модульный, сото-
вый, технологически специализированный (в соответствии с этапами
протекания технологического процесса). При функциональном разме-
щении (рис. 2.4) РМ сгруппированы по видам обработки (токарная,
фрезерная, шлифовальная и т.д.). Изделия транспортируются между
конкретными станками различных групп, которые могут быть по-раз-
ному размещены относительно друг друга.
Рис. 2.4. Функциональное размещение рабочих мест для случая ячеистой
структуры ПС [2] (цифрами на рис. 2.4-2.13 обозначены номера рабочих
мест, символом ЕЗ — транспортное средство)
24	2. Основы построения гибких производственных систем
В случае модульного размещения (рис. 2.5) идентичные РМ (моду-
ли), т.е. станки или группы станков одного типа, могут выполнять
одни и те же операции. Использование нескольких однотипных тех-
нологических машин способствует возрастанию гибкости и сопро-
тивления возмущениям.
Рис. 2.5. Модульное размещение рабочих мест для случая ячеистой
структуры ПС [2]
Сотовое размещение (рис. 2.6) характеризуется выделением групп
РМ, предназначенных для обработки оговоренной номенклатуры
изделий.
Рис. 2.6. Сотовое размещение рабочих мест
для случая ячеистой структуры ПС [2]
Технологически специализированное размещение характеризуется
тем, что в ПС выполняются одни и те же технологические операции
над различными изделиями. Номенклатура изделий весьма значи-
тельна, часто заменяется, а РМ группируются и располагаются в со-
ответствии с технологическим и организационным подобием (рис. 2.7).
Такая форма организации используется для ПС, производящих слож-
23. Формы организации гибких производственных систем
25
ные изделия, которые требуют сборочных операций, либо для ПС,
охватывающих несколько технологических этапов, например свар-
ка —» механическая обработка —> термическая обработка шлифова-
ние и т.д.
Рис. 2.7. Размещение рабочих мест в соответствии с этапами
технологического процесса [2]
Технологическая структура ПС характеризуется возможностью
одновременной обработки разнородной номенклатуры изделий при
очень высокой гибкости системы и сопротивлении возмущающим
воздействиям. Она используется главным образом в мелкосерийном
производстве с большой номенклатурой одновременно выпускаемых
изделий, требующих близких технологий.
Ячеистую структуру имеют гибкие производственные ячейки и си-
стемы. В ячейках два или три станка часто обслуживаются промыш-
ленным роботом, а реализация связей между РМ и размещение станков
зависят от возможностей манипулирования робота.
Линейная форма. Такая форма организации ПС является пред-
метной. Производимые изделия характеризуются подобием всех или
большинства технологических операций и последовательности их
выполнения, а связи между элементами ПС и способ их размещения
реализуются в соответствии с последовательностью операций. В таких
системах движение заготовок осуществляется в одном направлении:
непосредственно от предшествующего РМ к последующему. С функ-
циональной точки зрения можно говорить о принципе последова-
тельности операций. На линиях осуществляется многопереходная
обработка и используются в основном специализированные техноло-
гические машины (станки). Такт работы линии при обработке кон-
кретной партии деталей постоянен, что требует синхронизации работы
существующих РМ и обеспечивает их более или менее равномерную
загрузку. Иногда между отдельными РМ создаются промежуточные
накопители. Линейные ПС могут быть:
□	однорядными с отдельными позициями закрепления и откреп-
ления изделий (рис. 2.8);
26
2. Основы построения гибких производственных систем
загрузки
разгрузки
Рис. 2.8. Однорядная линейная ПС с позициями закрепления
и открепления изделий [2]
□	линейно-замкнутыми с центральной позицией закрепления-от-
крепления изделий (рис. 2.9);
□	сегментными с промежуточными накопителями (рис. 2.10).
2
закрепления-открепления
Рис. 2.9. Линейно-замкнутая ПС с центральной позицией
закрепления-открепления изделий [2]
Отдельные РМ линии могут быть по-разному связаны с транс-
портной подсистемой:
□	заготовки подаются транспортной подсистемой непосредствен-
но в зону обработки без использования каких-либо дополнительных
устройств;
□	заготовки с транспортирующих устройств попадают в буфер-
ный накопитель, откуда перемещаются на станок для обработки;
□	заготовки подаются транспортной подсистемой непосредствен-
но в зону обработки с помощью манипулирующих устройств, например
промышленного робота или устройства для смены палет.
2.3. Формы организации гибких производственных систем
27
накопитель
Рис. 2.10. Сегментная ПС с промежуточными накопителями [2]
разгрузки
Гибкость линий обеспечивается прежде всего за счет легкости их
переналадки для обработки различных партий деталей, легкости про-
граммирования хода обработки, а также трансформации линий при
сохранении существующих РМ и путей движения заготовок.
Форма с централизованным складом-накопителем. В таких ПС
рабочие места связаны друг с другом опосредствованно, через цен-
тральный магазин-накопитель обрабатываемых изделий, и распола-
гаются в узлах ортогональной сетки (рис. 2.11).
20
Рис. 2.11. Размещение станков со свободным подходом к РМ [2]
Заготовки перемещаются на палетах либо по одной (значитель-
ных габаритов), либо партиями. Палеты с заготовками подаются на
конкретные РМ из центрального накопителя с помощью транспорт-
ных средств, а после обработки точно так же возвращаются обратно.
Этот способ значительно упрощает движение заготовок и не зависит
от последовательности обработки изделий. Но работа такой ПС
28
2. Основы построения гибких производственных систем
усложняется при большом количестве РМ, поскольку требует ус-
ложнения и удлинения путей транспортирования.
Магазин-накопитель может быть неподвижным или подвижным,
внутренним или внешним. Неподвижный накопитель — обычно
многоуровневый стеллаж, обслуживаемый краном-штабелером. На
рис. 2.12 показаны схемы ПС с внешним и внутренним неподвижными
накопителями.
Рис. 2.12. ПС с неподвижным накопителем изделий [1]:
а — внешним; б — внутренним
ПС с внешним неподвижным накопителем называют также сис-
темами с точечным разделением заданий (разделение выполняется
в условной точке). Этой условной точкой является один из фрагментов
накопителя — место закрепления-открепления деталей. Палеты с из-
делиями перемещаются с помощью транспортирующих устройств
непосредственно на РМ, а после обработки — обратно в накопитель.
Поскольку магазин-накопитель размещен с краю ПС или же вообще
за ее границами, его размер не зависит от конфигурации ПС.
В ПС с внутренним неподвижным накопителем транспортиро-
вание и складирование нераздельны. Накопителем является много-
уровневый стеллаж, вокруг которого размещены РМ. По окончании
обработки или сборки на РМ партия изделий складируется в накопи-
теле, откуда с помощью штабелера подается на следующее РМ. В этом
случае положение палеты на стеллаже относительно РМ носит слу-
чайный характер. Расположение РМ вокруг накопителя влияет на
длительность транспортирующих движений штабелера, а следова-
тельно, на степень его загрузки. Поэтому пути движения всегда стре-
мятся минимизировать.
ПС с точечным разделением заданий имеют практически ничем
не ограниченную вместимость магазина и широкие возможности вы-
полнения транспортных задач.
Подвижным магазином-накопителем чаще всего является транс-
портер (подвесной или напольный), на котором размещаются изделия
2.3. Формы организации гибких производственных систем	29
перед обработкой и после нее. Внутренний магазин располагается
внутри ПС, внешний — на краю или вне ее. В последнем случае необ-
ходимо наличие дополнительной транспортной подсистемы, соеди-
няющей РМ с магазином. На рис. 2.13 показаны схемы ПС внешним
и внутренним подвижными накопителями.
Рис. 2.13. ПС с подвижным накопителем изделий [1]:
а — внешним; б — внутренним
ПС с подвижным накопителем называют также системами с ли-
нейным разделением заданий. Конвейер кроме транспортирования
выполняет также роль межоперационного склада. В системах с ли-
нейным разделением заданий накопитель располагается непосредст-
венно между РМ, что позволяет перемещать палеты с изделиями с
любого места накопителя на то или иное РМ.
ПС с линейным разделением заданий и подвижным накопителем
используют (с учетом малой вместимости последнего) в случаях дли-
тельной обработки партии изделий или значительного подобия тех-
нологических маршрутов обработки. Поскольку доступ к изделиям
ограничен, не все технологические маршруты могут быть в этом случае
использованы.
ПС с линейным разделением заданий и неподвижным накопителем
применяют там, где невозможно отказаться от механизированной
или автоматизированной складской системы. На практике магазин
заготовок и деталей объединен с межоперационным магазином.
Можно также выделить разрабатываемые в настоящее время ГПС
с поверхностным разделением заданий, которые имеют внешний
магазин-накопитель. Магазины разделяются на горизонтальные
(с расположением выше или ниже уровня РМ) и вертикальные.
В последнем случае может быть использован многоярусный стел-
лаж, обслуживающий РМ, расположенные на разных этажах. Такой
подход позволяет на 30 % снизить необходимые производственные
площади.
30	2. Основы построения гибких производственных систем
ммйммммнк_____________— --------------------------------------
Стратегии организации производства
2.4.
Основной целью организации производства является стремле-
ние к сокращению сроков выполнения заказов, снижению затрат
и ускорению оборота капитала. Это может быть достигнуто на основе
сокращения запасов и времени производственного цикла, оптими-
зации использования производственных мощностей, обеспечения
максимально выгодных условий кооперационных связей и достав-
ки изделий заказчикам.
Выполнение данных условий возможно путем обеспечения тесных
связей между движением материалов и информационными потоками.
Задание, т.е. реализация того или иного действия, определяется в пер-
вую очередь тремя параметрами: временем реализации, стоимостью
и имеющимися производственными мощностями. Можно использо-
вать различные стратегии организации производства, обеспечиваю-
щие реализацию поставленной задачи.
Стратегия 1. Существующие производственные мощности
и срок доставки приняты за не подлежащие увеличению. Кратковре-
менное использование дополнительных производственных мощностей
или стремление к увеличению производительности действующей ПС
вызывает возрастание производственных затрат.
Стратегия 2. Стоимость и производственные мощности явля-
ются неизменными. Единственно возможный шаг — смещение сро-
ков выполнения целого ряда заданий.
Стратегия 3. Стоимость и производственные мощности неиз-
менны. Существует возможность кратковременного использования
резервов производства, которые не должны увеличивать его стои-
мость.
Числовые значения входных параметров данных стратегий управ-
ления определяют использование конкретных средств для приемле-
мого решения проблемы. Это основано на выборе соответствующих
систем планирования и управления производством. В настоящее время
используются нагнетающая и всасывающая системы.
Нагнетающие системы управления производством действуют
на основе данных оперативного плана производства, который содер-
жит подтвержденные к использованию заказы. В таких системах
производственный процесс реализуется от первой до последней опе-
рации в соответствии с разработанным графиком (рис. 2.14).
Во всасывающих системах производственный процесс анали-
зируется с точки зрения завершающей операции, на основании чего
2.5. Средства гибкой автоматизации производства
31
Планируемый	Планируемый	Планируемый
срок исполнения	срок исполнения	срок исполнения
Рис. 2.14. Принципиальная схема нагнетающей системы управления [3]
определяются сроки выполнения предшествующих операций (от
окончания к началу процесса обработки; рис. 2.15). Если детали или
сборочные единицы недоступны для обработки на следующем РМ, то
их удаляют с РМ, на котором выполняется предшествующая операция.
Планируемый	Планируемый	Планируемый
срок исполнения	срок исполнения	срок исполнения
Рис. 2.15. Принципиальная схема всасывающей системы управления [3]
В обоих случаях желательно использование принципа «точно в тре-
буемое время», когда изделие производится точно в оговоренное время
и в оговоренном количестве. Это означает, что весь запас производства
находится непосредственно в обработке, а каждая деталь или полу-
фабрикат сразу после получения используется в последующей фазе
обработки.
Средства гибкой автоматизации
2.5^
производства
В ГАП, характеризуемых высокой концентрацией операций, в ка-
честве средств производства используются многоцелевые станки (об-
рабатывающие центры) и ГПМ.
На сегодня многоцелевые станки — основные станки, используе-
мые для гибкой автоматизации производства как на малых, так и на
32
2. Основы построения гибких производственных систем
больших предприятиях и обеспечивающие гибкую высокопроизво-
дительную и комплексную обработку. Под многоцелевым станком
понимают станок с ЧПУ, обеспечивающий (с учетом технологиче-
ских возможностей) выполнение за одну установку детали большого
количества технологических переходов с помощью различных метал-
лорежущих инструментов таким образом, чтобы получить полностью
либо почти полностью обработанную деталь. Для этого станок оснащен
магазином для режущих инструментов и системой для их автомати-
ческой смены.
Существуют две основные группы многоцелевых станков
(рис. 2.16), конструктивные и технологические возможности кото-
рых будут рассмотрены ниже.
Рис. 2.16. Классификация многоцелевых станков
ГПМ рассматривается как самостоятельная гибкая производст-
венная единица, в состав которой входит технологическая машина
(чаще всего многоцелевой станок) вместе с необходимыми средствами
транспортирования, складирования, управления, контроля и т.д.,
обеспечивающими автоматическую работу модуля при обработке се-
рии технологически подобных изделий без дополнительной помощи
извне, без постоянного присутствия оператора и в течение достаточно
длительного времени (как минимум, одной рабочей смены). Система
управления ГПМ управляет на основе определенной стратегии всеми
действиями модуля, включая функции контроля и диагностику.
На рис. 2.17 показан ГПМ для обработки корпусных деталей с ди-
сковым инструментальным магазином, на рис. 2.18 — токарный
2.5. Средства гибкой автоматизации производства
33
Рис. 2.17. ГПМ для обработки корпусных деталей:
1 — многоцелевой станок; 2 — горизонтальный шпиндель; 3 — система управле-
ния; 4 — стол с закрепленной палетой; 5 — палета для размещения заготовок;
6 — устройство для смены палет; 7 — магазин палет; 8 — автооператор для смены
инструментов; 9 — дисковый магазин режущих инструментов; 10 — инструмен-
ты в магазине
ГПМ, обслуживаемый портальным промышленным роботом, а на
рис. 2.19 — шлифовальный ГПМ. Вместимость магазинов заготовок
должна обеспечивать работу в течение как минимум одной смены без
участия оператора.
Примерами наиболее развитых средств ГАП являются ГПЯ
и ГПС.
ГПЯ — это комплекс, состоящий из станков с ЧПУ, выбранных
и установленных в соответствии с выполняемыми заданиями и со-
единенных средствами транспорта. В состав ГПЯ могут входить станки
и машины, обслуживаемые вручную, а также дополнительные РМ —
для мойки, сушки, контроля размеров после обработки. Ячейки, об-
служиваемые с помощью промышленного робота, называются робо-
тизированными.
34	2. Основы построения гибких производственных систем
Рис. 2.18. Токарный ГПМ:
1 — патронный токарный многоцелевой станок; 2 — шпиндель; 3 — револьверная
головка с режущими инструментами; 4 — портальный промышленный робот для
смены деталей; 5 — манипулятор; 6 — универсальная палета; 7 — магазин палет;
8 — бункер для стружки; 9 — транспортер для стружки; 10 — система управления
На рис 2.20 показана схема ГПЯ, состоящей из токарного станка
с ЧПУ 1 и многоцелевого токарного станка 2. Ячейку обслуживает
промышленный робот 4 с системой управления 12. Наряду со стан-
ками и роботом в состав ячейки входят дополнительные устройства
и оборудование, в частности кантователь 3, моечная машина 5, палета 7
с заготовками типов А и В, палета 6 с обработанными деталями, уста-
новка распознавания заготовок 9. Оператор находится перед централь-
ным пультом управления 10 с монитором 11. Поле действия робота
защищено системой фотоэлементов 8.
ГПС рассматривается как комплекс, состоящий из большого коли-
чества автоматизированных РМ (технологических машин, станков
с ЧПУ, многоцелевых станков), которые позволяют использовать
различные технологии непосредственно обработки (давление, реза-
2.5. Средства гибкой автоматизации производства	35
Рис. 2.19. Шлифовальный ГПМ:
1 — манипулятор замены изделий; 2 — манипулятор замены электрошпинделей
для внутреннего шлифования; 3 — шпиндель изделия; 4 — шлифовальный шпин-
дель; 5 — наклонные направляющие; 6 — манипулятор смены шлифовальных
кругов; 7 — задняя бабка; 8 — измерительное устройство; 9 — система управления
ние, термообработка, нанесение покрытий) и дополняющие техноло-
гии (мойка, сушка и т.д.) и связаны между собой устройствами для
перемещения изделий таким образом, что на одних и тех же РМ воз-
можна обработка различных изделий, проходящих через ГПС раз-
личными путями. Компьютер, управляющий ГПС, выполняет также
функции надзора и планирования производства, управляя переме-
щением изделий через систему и обеспечивая ее независимую работу
без участия оператора в течение требуемого отрезка времени.
Схема ГПС на базе трех ГПМ с общей системой транспортирова-
ния изделий на основе рольгангов и общей системой управления по-
казана на рис. 2.21.
ГПС могут быть организованы в соответствии с рассмотренными
выше подходами (как правило, в соответствии с этапами технологи-
ческого процесса) либо как системы с центральным магазином.
36
2. Основы построения гибких производственных систем
Рис. 2.20. Функциональная схема
гибкой производственной ячейки
В качестве представителя линейной формы организации произ-
водства можно рассмотреть гибкие производственные линии. Это
комплекс автоматизированных основных и дополняющих РМ, рас-
положенных в соответствии с принципами организации массового
производства (перемещение изделий между РМ без смены направ-
ления) и соединенных друг с другом автоматизированными транс-
портными средствами. Гибкость таких линий основана прежде всего
на возможности их легкого переоснащения для обработки различ-
ных по величине партий технологически подобных изделий. Наи-
более часто такие линии можно встретить в автомобилестроении
(например, для обработки типовых деталей — коленчатые и распре-
делительные валы, сварки кузовов автомобилей, сборки узлов и самого
автомобиля).
2.5. Средства гибкой автоматизации производства
Рис. 2.21. Функциональная схема ГПС:
1 — компьютеры, управляющие работой ГПМ и измерительных машин; 2, 4, 5 — ГПМ; 3 — пульты управления ГПМ;
Л	лъты управления портальными манипуляторами; 7—система управления транспортной подсистемой; 8 —сеть, соеди-
« главный компьютер с компьютерами рабочих мест; 9 — главный компьютер ГПС
38
2. Основы построения гибких производственных систем
гпв
▲
Значительная
Средняя
Автоматическая
линия________________________
 Гибкая абтоматическая
линия
-------- Гибкая производственная
, система_______________________
------- Гибкие производственные
ячейки и модули
I ~
Станки с ЧПУ
и многоцелевые
станки
Малая
Значительное КТ
Рис. 2.22. Области использования средств технического оснащения ГАП
Оптимальные условия использования автоматизированного обо-
рудования различных видов зависят от годовой программы выпуска
изделий (ГПВ) и количества их типоразмеров (КТ) (рис. 2.22).
Литература
1.	Lis S. Projektowanie rozmieszczenia stanowisk roboczych / S. Lis, K. San-
tarek. Warszawa: PWN, 1980. 260 s.
2.	Santarek K. Elastyczne systemy produkcyjne / K. Santarek, S. Strzel-
czak. Warszawa: WNT, 1989. ^04 s.
3.	Banaszak Zb. Zarz^dzanie operacjami / Zb. Banaszak. Zielona Gora: Poli-
technika Zielonogorska, 1997.178 s.
3.1?
СТАНКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ГИБКИХ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМАХ
Тенденции развития автоматизированных
металлорежущих станков
3.1.1.	Общие сведения
Металлообрабатывающее оборудование является одним из глав-
ных факторов, определяющих развитие народного хозяйства страны.
Эффективность его использования непосредственно влияет на произ-
водство новых машин для всех отраслей промышленности, сельского
хозяйства и т.д., а это в конечном счете характеризует уровень жиз-
ни общества. В настоящее время ни одна страна не производит всей
потребной ей номенклатуры оборудования, специализируясь только
не некоторых его типах. Однако уровень развития современного про-
изводства требует использования практически всей номенклатуры
металлообрабатывающего и сопутствующего вспомогательного обору-
дования. Поэтому ознакомление с тенденциями развития и техноло-
гическими возможностями современных металлорежущих станков
не только представляет интерес, но и является необходимым при
разработке технологии и изготовлении современных машин.
В общем случае понятие «металлорежущие станки» включает:
□	непосредственно станки для работы в различных типах произ-
водства (одиночные станки, автоматизированные и автоматические
линии, производственные системы и т.д.);
□	комплектующие для производства металлорежущих станков
универсального назначения (двигатели, шпиндельные узлы, на-
правляющие, шарико-винтовые пары и т.д.); современный станок
на 50...70 % состоит из таких комплектующих;
□	приспособления, обеспечивающие использование станков для
конкретного производства;
□	системы управления вместе с соответствующим компьютерным
оборудованием (несмотря на то что такой продукцией занимаются
предприятия по производству электроники, они всегда ориентированы
на потребности конкретных предприятий — производителей станков);
Схема 3.1
Тенденции развития современных металлорежущих станков
Требования	Пути реализации	Показатели	Реализация
3. Станки, используемые в гибких производственных системах
Требования
Пуши реализации
Показатели
Реализация
3.1. Тендениии развития автоматизированных металлорежущих станков
42
3. Станки, используемые в гибких производственных системах
□	контрольно-измерительные приспособления, измерительные
машины, системы надзора и диагностики;
□	компьютерные системы и пакеты прикладных программ для
разработки конструкций, технологии, планирования и организации
производства;
□	режущие инструменты и инструментальную оснастку.
Совершенствование металлорежущих станков направлено на ра-
ционализацию и интенсификацию производства. Современные станки
должны удовлетворять качественно новым потребностям промыш-
ленности, что определяет требования к их конструкции: обеспечить,
с одной стороны, высокую производительность и экономичность ра-
боты, а с другой — удовлетворение требований экологии и охраны
окружающей среды.
Современные металлорежущие станки характеризуются весьма
высоким техническим уровнем по сравнению с другими технологи-
ческими машинами. Тенденции развития станкостроения указаны
на схеме 3.1 (см. с. 40-41).
К основным факторам, влияющим на развитие станкостроения,
можно отнести:
□	повышение скорости резания до уровня, максимально допусти-
мого с точки зрения безопасности работы станка; согласно европей-
ским нормам такие скорости превосходят 1000 м/мин (в настоящее
время до 100 000 м/мин), а процесс получил название «обработка со
сверхвысокими скоростями»;
□	обработку лучом лазера, используемым в качестве инструмента;
□	обработку без использования смазывающе-охлаждающих тех-
нологических средств (СОТС), являющихся одним из основных ис-
точников загрязнения окружающей среды;
□	точную обработку деталей из закаленных сталей на токарных
станках, позволяющую исключить дорогостоящий и экологически
грязный процесс шлифования.
Рассмотрим некоторые из представленных на схеме 3.1 тенден-
ций более подробно.
3.1.2. Производительность и надежность станков
Повышение производительности и надежности станков может быть
обеспечено двумя способами. Первый из них основан на сокращении
количества действий, связанных с настройкой, подналадкой и ремон-
том станка, потребного на эти цели времени и обеспечивается путем
использования проверенных технических решений при проектиро-
вании деталей и узлов станка; новых высокопрочных конструкционных
3.1. Тенденции развития автоматизированных металлорежущих станков 43
материалов и технологий, обусловливающих высокую износостойкость
деталей и узлов станка; планово-предупредительных ремонтов (ППР).
Второй способ — оснащение станка датчиками и системами над-
зора и диагностики (мониторинга), которые распознают отклонения
в работе и сигнализируют об этом прежде, чем наступит отказ станка.
Такие системы могут быть использованы также при ремонте станка.
Повышение производительности обработки традиционно связано
со снижением основного и вспомогательного времени. Основное время
может быть сокращено путем увеличения режимов обработки. Однако
такой подход предъявляет к станку жесткие дополнительные требо-
вания: высокая статическая, динамическая и тепловая жесткость
конструкции; использование компьютеров с очень большим объемом
памяти, обеспечивающих точные пространственные перемещения
режущих инструментов; наличие устройств смены инструментов по-
вышенной вместимости, с малым временем смены инструмента; на-
личие устройств автоматической смены деталей. Легко заметить,
что последние два требования направлены на сокращение вспомога-
тельного времени.
3.1.3» Технологическая гибкость и автоматизация
Технологическая гибкость станка вместе с гибкостью систем управ-
ления и обеспечения заготовками обусловливает гибкость всей ПС.
Это означает простую и относительно быструю приспособляемость
к изменению требований производства, в частности быстрое пере-
программирование и переналадку для обработки новых деталей ма-
лыми сериями.
Расширение технологических возможностей станка позволяет
сократить время обработки детали; уменьшить количество станков
и занимаемые ими производственные площади; исключить из про-
изводственного цикла время и стоимость транспортирования дета-
лей между отдельными станками, время закрепления и снятия их со
станка, манипулирования и т.д.; ликвидировать специальные при-
способления для базирования и закрепления деталей.
Отличительные особенности современных станков — автоматиза-
ция их рабочего цикла, легкость обслуживания, работа с ограниченным
участием оператора, автоматизированные надзор и диагностика ус-
ловий работы станка и процесса обработки, контроль размеров и точ-
ности обработки.
Еще в 90-е гг. XX в. считалось, что главная цель автоматизации
станка — обеспечение его работы в безлюдном режиме (ночи, выходные
44
3. Станки, используемые в гибких производственных системах
дни, праздники). Это вызвало необходимость дополнительной ком-
плектации станков системами манипулирования (в том числе робота-
ми), транспортирования, инструментообеспечения и т.д. Так возникли
ГПМ, ГПЯ, ГПС и другие средства гибкой автоматизации производ-
ства. Однако они не предусматривали автоматизацию функций, ко-
торые выполняет оператор.
Под автоматизацией понимают наряду с обеспечением безлюдной
работы «разумность» функционирования, т.е. самообслуживание
и оценку изменений условий работы во времени, введение необходи-
мых корректив, контроль качества обработки, возможность приня-
тия решений. Такое развитие было бы невозможно без современной
компьютерной техники.
3 Л А. Точность станков
Высокая точность обработки является одним из основных требо-
ваний к металлорежущему станку, которое определяет его конку-
рентоспособность. На точность обработки оказывают влияние:
□	геометрическая точность станка, в частности взаимная перпен-
дикулярность и параллельность направляющих, поверхностей столов,
осей шпинделя, револьверных головок, поворотных столов, а также
точное соединение всех деталей и узлов;
□	статические, динамические и термические свойства несущей
конструкции;
□	надежность системы управления всеми движениями узлов станка,
обеспечивающая отработку команд в нескольких осях и с высокими
скоростями перемещения;
□	точность систем измерения перемещений узлов станков, обес-
печивающих точность позиционирования в пределах ±0,001 мкм.
Кроме перечисленных факторов важную роль в обеспечении точ-
ности обработки играют точность работы сервоприводов, возможность
контроля обработанных деталей, износ режущих инструментов, диаг-
ностика состояния станка.
3	Л .5. Агрегатирование станков
Производство и технологические возможности станка должны
быть максимально адаптированы к требованиям потребителя. Один
из путей удовлетворения этих требований — удешевление станков
на основе их агрегатирования, т.е. применения нормализованных
модулей. Такой подход традиционно использовался и используется
при производстве агрегатных станков, однако в последние годы он
распространяется и на производство ГПМ и ГПС. Это связано с появ-
3.1. Тенденции развития автоматизированных металлорежущих станков 45
лением на рынке высококачественных комплектующих (винтовые
пары, шпиндельные узлы, направляющие, несущие конструкции из
легких сплавов, системы управления), с использованием которых
можно относительно просто разработать станок потребной конфигу-
рации. В качестве примеров такой разработки можно привести ком-
поновки токарных многоцелевых (рис. 3.1) и агрегатных (рис. 3.2)
станков.
Рис. 3.1. Агрегатирование многоцелевых станков фирмы «Gildemeister»:
а — три оси управления; б — шесть осей управления
3. Станки, используемые в гибких производственных системах
Рис. 3.2. Агрегатный станок фирмы «Suhner»:
а — несущая конструкция; б — схема компоновки
3.2. Станки с ЧПУ и обрабатывающие центры токарной группы
47
Станки с ЧПУ и обрабатывающие центры
токарной группы
3.2.1.	Тенденции развития
Станки с ЧПУ и обрабатывающие центры токарной группы обес-
печивают обработку главным образом тел вращения, причем наряду
с различными операциями токарной обработки выполняется сверле-
ние, развертывание, нарезание резьб, фрезерование поверхностей,
расположенных как на оси детали, так и перпендикулярно к ней, на-
клонно либо с эксцентриситетом. Таким образом, рассматриваемые
станки многофункциональны, с преобладанием токарных операций.
Это означает, что их компоновки и структура подобны традицион-
ным токарным станкам, деталь крепится во вращающемся шпинде-
ле, а подачи имеют режущие инструменты.
Сформулируем основные требования, предъявляемые к указан-
ной группе:
1)	быстрое и гибкое переоснащение станка и наладка его для обра-
ботки новых деталей, что достигается:
□	оптимизацией рабочего пространства, обеспечивающей свобод-
ное перемещение всех рабочих органов, доступность для наладчика
и простоту обслуживания. В случае ручной замены заготовок и инст-
рументов также обеспечивается их легкодоступность, а при автомати-
зации этих функций — свободное пространство для манипулирования
и гарантированная очистка элементов базирования и закрепления от
загрязнения;
□	возможностью замены автоматического управления (ЧПУ)
ручным;
□	простотой наладки и обслуживания, что не требует длительного
обучения;
2)	низкая себестоимость обработки, обеспечиваемая за счет: '
□	агрегатирования конструкции станка, позволяющего быстро
приспособить базовую конструкцию к требованиям конкретного по-
требителя;
□	резкого увеличения скоростей рабочих и установочных переме-
щений и, как следствие, снижения времени рабочего цикла;
3)	изменение конструктивной структуры токарных станков в ре-
зультате:
□	выполнения установочных перемещений и движений подачи
не суппортом с револьверными головками, а пинолью электрошпин-
деля, имеющей значительно меньшую массу;
48
3. Станки, используемые в гибких производственных системах
□	использования дополнительного шпинделя для перехвата за-
готовки в ходе обработки;
□	все более широкого применения вертикальной компоновки, уп-
рощающей автоматизированную установку заготовок и отвод стружки;
4)	возможность выполнения различных технологических опе-
раций, поскольку до 80 % всех деталей после токарной обработки
требует дополнительно сверления, фрезерования," резьбообработки.
Комплексная обработка деталей обеспечивается за счет:
□	применения инструментальных револьверных головок значи-
тельной вместимости, в том числе с возможностью вращения инстру-
ментов;
□	использования дополнительного шпинделя для перехвата за-
готовки с целью ее обработки с другой стороны;
□	увеличения мощности привода главного движения, а также
диапазонов частот вращения шпинделя и подач;
□	использования управляемого вращения шпинделя;
□	применения лазера для выполнения сварки, поверхностной за-
калки и резки;
□	использования новых инструментальных материалов, напри-
мер сверхтвердых, для замены шлифования точением;
5)	высокая точность обработки, достижение которой возможно
вследствие:
□	все более широкого использования базовых деталей из поли-
мербетонов с высокими динамическими и.термическими свойствами,
обеспечивающих минимальные механические и тепловые деформа-
ции станка, а также гасящих вибрации;
□	применения точных сервоприводов, позволяющих значитель-
но повысить точность позиционирования;
□	использования измерительных устройств для контроля разме-
ров детали в ходе обработки;
6)	увеличение производительности и надежности работы, дости-
гаемое в результате:
□	резкого увеличения скоростей рабочих и установочных пере-
мещений и, как следствие, снижения времени рабочего цикла;
□	значительной мощности приводов;
□	сокращения времени обработки вследствие возрастания скоро-
стей рабочих и быстрых перемещений и скорости удаления стружки;
□	высокой гибкости процесса и возможности обработки детали со
всех сторон без перезакрепления;
□	использования систем надзора и диагностики состояния инст-
рументов и станка;
3.2. Станки с ЧПУ и обрабатывающие иентры токарной группы
49
7)	экологичность и безопасность работы, обеспечиваемая посред-
ством:
□	работы без использования или с минимальным использованием
СОТС;
□	приспособлений, защищающих оператора от травм в случае
поломок и аварий.
3.2.2.	Компоновочные схемы
В настоящее время используется целый ряд компоновок станков
и обрабатывающих центров токарной группы в зависимости от их тех-
нологического назначения. Станки с горизонтальной осью
вращения шпинделя изделия по принципу закрепления деталей мож-
но классифицировать следующим образом:
1)	закрепление деталей в патроне с возможностью обработки с од-
ной стороны, с управляемым вращением относительно оси С; один
суппорт с возможностью перемещения по осям X и Z, на котором ус-
тановлена револьверная головка с неподвижными (резцы) и вращаю-
щимися (сверла, фрезы) инструментами (рис. 3.3, а). Вращающиеся
инструменты в зависимости от конструкции головки перемещаются
как параллельно, так и перпендикулярно к оси детали;
2)	закрепление деталей в патроне с поджатием задним центром
(рис. 3.3, б); компоновочная схема аналогична схеме, приведенной
на рис. 3.3, а;
3)	закрепление деталей в патроне с возможностью обработки с одной
стороны, с управляемым вращением относительно оси С; два незави-
симых суппорта с револьверными головками, несущими неподвиж-
ные и вращающиеся инструменты. Суппорты расположены с двух
сторон относительно шпинделя станка, один имеет перемещения по
осям Xi и Zi, второй — по осям Х2, Z2hY (рис. 3.3, в);
4)	закрепление деталей в патроне с возможностью обработки с одной
стороны, с управляемыми перемещениями шпинделя относительно
осей Ху Z и С; неподвижная*револьверная головка с неподвижными
(резцы) и вращающимися (сверла, фрезы) инструментами (рис. 3.3, г).
Такая компоновка возможна только при использовании электрошпин-
делей;
5)	закрепление деталей сначала в основном, а затем во вспомога-
тельном (перехватывающем) патроне с управляемым вращением отно-
сительно оси С (рис. 3.3, д). Вспомогательный патрон перемещается
относительно оси Z2, револьверная головка расположена между патро-
нами и имеет перемещения относительно осей Z1? X, иногда — оси У.
50	3. Станки, используемые в гибких производственных системах
Перехват обрабатываемой детали осуществляется без остановки вра-
щения основного шпинделя вследствие синхронизации частот вра-
щения обоих патронов. Станок обеспечивает обработку детали со
всех сторон;
6)	закрепление деталей сначала в основном, а затем во вспомога-
тельном (перехватывающем) патроне с управляемым вращением
относительно оси С (рис. 3.3, е), причем функция перехвата осущест-
вляется одним из гнезд револьверной головки. Две револьверные
Рис. 3.3. Компоновочные схемы станков токарной группы с горизонтальной
осью вращения детали [1]
3.2. Станки с ЧПУ и обрабатывающие центры токарной группы
51
головки имеют перемещения относительно осей	и Z2, Х2 соот-
ветственно. Станок обеспечивает обработку детали со всех сторон;
7)	закрепление коротких деталей (типа диска) в патроне с управ-
ляемым вращением относительно оси С (рис. 3.3, ж) и одной револь-
верной головкой, вмещающей резцы и вращающиеся инструменты.
Головка перемещается вдоль осей Z и X;
8)	закрепление коротких деталей (типа диска) в патроне с управ-
ляемым вращением относительно оси С (рис. 3.3, з) и двумя револь-
верными головками с резцами и вращающимися инструментами.
Головки имеют перемещения вдоль осей Z19 Xi и Z2, Х2;
9)	закрепление коротких деталей (типа диска) в двух патронах
с параллельными осями (рис. 3.3, и) с управляемым вращением от-
носительно оси С и двумя револьверными головками с резцами и вра-
щающимися инструментами. Головки имеют перемещения вдоль
осей Z19 Xi и Z2, Х2.
Станки с вертикальной осью вращения шпинделя изде-
лия (карусельные) используются в основном для обработки крупных
тяжелых деталей. Их можно классифицировать следующим образом:
1)	закрепление деталей в патроне с возможностью обработки с од-
ной стороны, с управляемым вращением относительно оси С; один
суппорт с возможностью перемещения по осям X и Z, на котором
установлена револьверная головка с неподвижными (резцы) и вращаю-
щимися (сверла, фрезы) инструментами (рис. 3.4, а). Вращающиеся
инструменты в зависимости от конструкции головки перемещаются
как параллельно, так и перпендикулярно к оси детали;
2)	закрепление деталей в патроне с поджатием задним центром
(рис. 3.4, б); компоновочная схема аналогична схеме, приведенной
на рис. 3.4, а;
3)	закрепление деталей в патроне с возможностью перемещения
шпинделя вдоль осей X и Z и управляемым вращением относительно
оси С; револьверная головка с неподвижными (резцы) и вращающи-
мися (сверла, фрезы) инструментами установлена на станине и имеет
только движение деления (рис. 3.4, в). Вращающиеся инструменты
в зависимости от конструкции головки перемещаются как парал-
лельно, так и перпендикулярнр к оси детали. Такая компоновка воз-
можна только при использовании электрошпинделей;
4)	закрепление деталей в патроне с возможностью обработки
с одной стороны, с управляемым вращением относительно оси С; два
независимых суппорта с револьверными головками, несущими не-
подвижные и вращающиеся инструменты. Суппорты расположены
с двух сторон относительно шпинделя станка; один имеет перемеще-
ния по осям Xi и Z19 другой — по осям Х2, Z2 (рис. 3.4, г);
52
3. Станки, используемые в гибких производственных системах
5)	закрепление деталей в патроне с поджатием задним центром,
с управляемым вращением относительно оси С; два независимых
суппорта с револьверными головками расположены с двух сторон от-
носительно шпинделя станка и перемещаются один по осям Zu
другой — по осям Х2у Z2 (рис. 3.4,5);
6)	закрепление деталей в патроне с возможностью обработки с одной
стороны, с управляемым вращением относительно оси С; два незави-
симых суппорта с револьверными головками, несущими неподвижные
и вращающиеся инструменты, расположены с двух сторон относи-
тельно шпинделя станка, один перемещается по осям Хъ Zu другой —
по осям Х2, Z2. Шпиндель имеет верхнее расположение (рис. 3.4, е);
и
Рис. 3.4. Компоновочные схемы станков токарной группы с вертикальной
осью вращения детали [1]
3.2. Станки с ЧПУ и обрабатывающие иентры токарной группы	53
7)	два параллельных шпинделя изделия с закреплением деталей
в патроне (рис. 3.4, ж); в остальном компоновка аналогична схеме,
приведенной на рис. 3.4, г;
8)	два параллельных шпинделя изделия с закреплением деталей
в патроне с поджатием задним центром (рис. 3.4, з); в остальном ком-
поновка аналогична схеме, показанной на рис. 3.4, г;
9)	два параллельных электрошпинделя изделия с верхним распо-
ложением, с закреплением деталей в патроне (рис. 3.4, и); в осталь-
ном компоновка аналогична схеме 3.4, г.
3.23. Технологические возможности
Анализ конструкций деталей типа тел вращения показывает, что
более 80 % из них кроме простейших цилиндрических, конических
и торцовых поверхностей имеют прямые и винтовые канавки и вы-
ступы, плоские поверхности, произвольным образом расположен-
ные в пространстве, окна, глубокие отверстия и т.п. В связи с этим
современные ГАП все чаще вместо традиционных токарных станков
с ЧПУ используют многоцелевые токарные станки. В этом случае,
как отмечалось выше, револьверные головки кроме традиционных
инструментов (неподвижно закрепленных в головке) могут быть
оснащены инструментами с независимым вращением параллельно,
перпендикулярно или наклонно к оси детали (рис. 3.5). Такие головки
характеризуются малым временем замены инструмента на рабочей
позиции, сравнительно небольшими размерами и могут иметь ось
вращения как параллельную, так и перпендикулярную к оси обраба-
тываемой детали (рис. 3.6).
Сочетание целого ряда перемещений требует введения в кинемати-
ческую схему станка соответствующих осей управления (рис. 3.7,3.8).
Наряду с рассмотренными выше компоновками токарных стан-
ков и ГПМ получают распространение и другие компоновки, с более
широкими технологическим^ возможностями, например:
□	установка поперечного суппорта для резцов и осевых инстру-
ментов около каждого токарного шпинделя (рис. 3.9) наряду с одной
или двумя револьверными головками;
□	введение в конструкцию 4-6 шпинделей изделия вместо одного
с возможностью поворота шпиндельного барабана на постоянный
угол (рис. 3.10), что позволяет использовать оборудование с ЧПУ
в крупносерийном и массовом производстве; подготовительно-заклю-
чительное время в этом случае в 4-5 раз меньше, чем при использова-
нии традиционных многошпиндельных токарных автоматов;
54
3. Станки, используемые в гибких производственных системах
Рис. 3.5. Револьверные головки с неподвижными и вращающимися
инструментами
Рис. 3.6. Возможные положения револьверных головок
относительно оси детали
3.2. Станки с ЧПУ и обрабатывающие центры токарной группы	55
Рис. 3.7. Оси управления токарного станка TSN-26 фирмы «Traub»
Рис. 3.8. Оси управления карусельного станка с ЧПУ
56
3. Станки, используемые в гибких производственных системах
Рис. 3.9. Поперечные суппорты токарного многоцелевого станка
Рис. 3.10. Многошпиндельные токарные станки фирмы «Gildemeister*:
а — шпиндельный барабан; б — рабочая зона
3.2. Станки с ЧПУ и обрабатывающие центры токарной группы
57
□	введение в состав станка твердотельного лазера для обеспече-
ния обработки с подогревом и обработки поверхностей сложной фор-
мы (рис. 3.11);
□	замена одной из традиционных револьверных головок на инст-
рументальный шпиндель с возможностью управляемого поворота
его оси на произвольный угол (рис. 3.12); инструментальный мага-
зин в этом случае содержит до 100 режущих инструментов;
б
а
Рис. 3.11. Использование лазерного подогрева:
а — рабочее пространство токарного станка фирмы «Carl Benziger» со встроен-
ным полупроводниковым лазером [2]; б — схема лазерной обработки на станке
фирмы «Gildemeister»
Рис. 3.12. Оси управления и функциональные узлы станка МТ 1500
фирмы « Mori Seiki»
58
3. Станки, используемые в гибких производственных системах
□	установка в револьверной головке червячной зуборезной фре-
зы (рис. 3.13), что в случае координации перемещений по соответст-
вующим осям обеспечивает возможность нарезания на детали зубьев
и исключает необходимость операций зубообработки;
Рис. 3.13. Установка червячной фрезы в револьверной головке токарного
многоцелевого станка Millturn фирмы «WFL Technologies GmbH&Co.KG»
□	введение в состав многоцелевого токарного станка шлифоваль-
ного шпинделя (рис. 3.14), что позволяет совмещать операции точе-
ния и шлифования.
Рис. 3.14. Схема токарно-шлифовального многоцелевого станка
фирмы «Index-Werke GmbH&Co.KG»
33. Станки с ЧПУ и обрабатывающие центры
59
Рис. 3.15. Примеры деталей, обработанных за одну установку
на современных токарных многоцелевых станках
В конечном счете появляется возможность комплексной обработки
детали на одном РМ без ее перемещения со станка на станок, обеспе-
чивается соответствующее базирование без потерь точности и т.д.
Некоторые примеры деталей, обработанных в таких условиях, при-
ведены на рис. 3.15.
3.3V
Станки с ЧПУ и обрабатывающие центры
сверлильно-фрезерно-расточной группы
3.3.1.	Тенденции развития
Станки сверлильно-фрезерно-расточной группы в процессе совер-
шенствования претерпели значительные изменения с точки зрения
как конструкции, так и технологических возможностей. Анализ со-
временных станков позволяет выделить следующие их особенности:
1)	большое разнообразие конструкций в зависимости от размеров
и массы обрабатываемых деталей, свойств обрабатываемого мате-
60
3. Станки, используемые в гибких производственных системах
риала, выполняемых операций, уровня автоматизации, количества
осей управления и т.д.;
2)	различная организация рабочего пространства с целью обеспече-
ния управления по нескольким осям; облегчения транспортирования
стружки; повышения производительности на основе использования
многошпиндельных головок, размещенных в инструментальных ма-
газинах наряду с традиционными инструментами; возможности обра-
ботки детали с нескольких сторон путем использования поворотных
и глобусных столов;
3)	использование перспективных структур типа гексапода;
4)	изменение конструкций приводов главного движения путем за-
мены традиционных кинематических цепей, обеспечивающих частоту
вращения до 8000... 15 000 об/мин, электрошпинделями с частотами
вращения до 100 000 об/мин;
5)	изменение конструкций приводов подачи путем замены тради-
ционных двигателей постоянного и переменного тока на линейные
двигатели; уровень рабочих подач доходит до 30 м/мин, а быстрых
ходов — до 120 м/мин и более;
6)	возрастание точности обработки вследствие применения новых
систем управления, использования технологий сверхскоростной об-
работки, увеличения точности позиционирования узлов станка до
± 0,001 мм и палет с деталями до ± 0,002 мм, минимализации зазо-
ров в соединениях узлов и элементов станка;
7)	повышение статической, динамической и термической жестко-
сти вследствие компьютеризации и визуализации расчетов станка;
повышения жесткости конструкций, стандартизации и унификации
используемых узлов, использования новых конструкционных мате-
риалов (сотовые конструкции, полимербетоны и т.п.);
8)	новые механизмы замены палет с изделиями и режущих инст-
рументов, обеспечивающих резкое сокращение времени замены;
9)	использование лазера в качестве инструмента, что позволяет
обеспечивать не только прецизионную обработку, но и сварку от-
дельных элементов детали непосредственно на станке;
10)	повышение надежности работы станка на основе широкого ис-
пользования систем периодической и непрерывной (мониторинг) ди-
агностики его работоспособности.
3.3.2.	Компоновочные схемы
В настоящее время используется целый ряд компоновок станков
и обрабатывающих центров сверлильно-фрезерно-расточной группы
в зависимости от их технологического назначения:
1)	с горизонтальной и вертикальной осью вращения шпинделя;
3.3. Станки с ЧПУ и обрабатывающие иентры
61
Рис. 3.16. Компоновочные схемы станков сверлильно-фрезерно-расточной
группы [1]
2)	с крестовым столом, Имеющим рабочие перемещения в гори-
зонтальной плоскости вдоль осей X и Y, и пинолью шпинделя, пере-
мещающейся вдоль оси Z (рис. 3.16, а);
3)	со столом, перемещающимся вдоль оси X, шпиндельной баб-
кой, имеющей перемещение вдоль оси У, и пинолью шпинделя, пе-
ремещающейся относительно оси Z (рис. 3.16, б);
4)	со шпиндельной бабкой, имеющей перемещение вдоль осей X,
У, 2(рис. 3.16, в);
5)	портального типа (рис. 3.16, г).
62
3. Станки, используемые в гибких производственных системах
Конструкции многоцелевых станков
3.4
типа гексапода
Традиционные кинематические структуры металлорежущих стан-
ков основаны на объединении нескольких поступательных и (или)
вращательных перемещений. Такое объединение требует весьма жест-
ких и материалоемких конструкций базовых деталей станка, а инст-
румент связан с корпусом открытой кинематической цепью.
Новый подход к компоновке станков основан на использовании
замкнутых кинематических цепей [3, 4]. В этом случае приводы так
называемой рабочей платформы (место крепления детали или инст-
румента) обеспечивают непосредственный контакт режущего инст-
румента с деталью, не перемещая никаких дополнительных узлов
и элементов станка. Такие структуры получили название гексаподов.
Как любые инновационные идеи, гексаподы имеют свои достоин-
ства и недостатки. С одной стороны, они характеризуются: высокой
жесткостью и точностью обработки; возможностью реализации дви-
жений с шестью степенями свободы; малыми массами подвижных
узлов; высокими скоростями и ускорениями по всем осям; отсутст-
вием специальных фундаментов для монтажа станка в цехе; простотой
конструкций корпусных деталей; преобладанием растягивающих
и сжимающих усилий, отсутствием усилий изгиба; унификацией
приводов по всем осям; простотой сборки.
С другой стороны, можно отметить следующее: соотношение про-
странства для обработки и всего объема, занимаемого станком, хуже
по сравнению с традиционными станками; любое линейное перемеще-
ние требует одновременного управления сразу по шести осям; необхо-
димо иметь шесть независимых приводов для перемещений рабочей
платформы; ограничен угол поворота рабочей платформы; для его
увеличения необходима дополнительная ось поворота (привод и система
управления); затруднен контроль точности перемещений; имеются
значительные тепловые удлинения вдоль осей в связи с большей
длиной узлов.
Согласно данным, приведенным в работе [4], по сравнению с тради-
ционными станками гексаподы имеют в 5-10 раз большую жесткость
и повышенную в 2-3 раза точность. Наиболее вероятные области их
использования: обработка литейных форм и матриц, лопаток турбин
и других деталей с пространственно-сложной формой; шлифование
и заточка режущих инструментов с пространственным профилем;
3.4 Конструкции многоцелевых станков типа гексапода	63
автоматическая сборка и сварка; лазерная, плазменная и струйная
обработка; обработка кристаллов и ювелирных изделий.
Примеры структурных схем гексаподов приведены на рис. 3.17.
Рис. 3.17. Структуры гексаподов с горизонтальной (а) и вертикальной (б)
осями вращения шпинделя фирмы «Ingersoll» [1]:
1 — несущая конструкция; 2 — рычаг управляемой длины; 3 — двигатель; 4 —
рабочая платформа; 5 — электрошпиндель; 6 — рабочий стол; 7 — режущий инст-
румент; 8 — каркас; 9 — шарнир
64
3. Станки, используемые в гибких производственных системах
Шлифовальные станки с ЧПУ
Современные шлифовальные станки с ЧПУ по сравнению с тради-
ционными шлифовальными станками претерпели следующие изме-
нения:
1)	все линейные перемещения осуществляются с помощью шари-
ковинтовых пар с приводом от двигателей постоянного тока;
2)	правка круга выполняется алмазным карандашом или роли-
ком с управлением от системы ЧПУ;
3)	используются ультразвуковые датчики для точного подвода
круга к детали после быстрого перемещения; длина трассы перехода
к рабочей подаче составляет 0,25 мкм;
4)	широко применяются новые конструкционные материалы для
изготовления направляющих и базовых деталей (пластмассы, ис-
кусственные граниты и т.п.);
5)	имеются устройства динамической балансировки шлифоваль-
ного круга вместе с планшайбой, системы измерения и контроля; это
исключает влияние на процесс обработки таких факторов, как износ
шлифовального круга, возникновение колебаний, тепловые и меха-
Рис. 3.18. Схема круглошлифовального станка с ЧПУ
3.6. Устройства для замены деталей и режуших инструментов
65
нические деформации узлов станка и т.п., обеспечивает требуемую
точность обработки и шероховатость обработанной поверхности;
6)	имеются магазины со шлифовальными кругами и устройства-
ми для их правки;
7)	расширен диапазон режимов шлифования, что позволяет в хо-
де одного и того же цикла обработки использовать различные виды
шлифования — от глубинного до прецизионного.
Схема шлифовального станка для обработки наружных, внутрен-
них и торцовых поверхностей показана на рис. 3.18.
Устройства для замены деталей
3.6.
и режуших инструментов
3.6.1. Устройства для автоматической замены деталей
Основная тенденция совершенствования многоцелевых станков —
повышение их производительности. При обработке корпусных дета-
лей значительное время требуется на их установку и снятие. Сущест-
вует несколько путей сокращения этого времени.
При ручном закреплении-откреплении деталей используются два
стола (рис. 3.19). В этом случае на столе S1 выполняется обработка
Рис. 3.19. Схемы работы многоцелевого станка с двумя столами:
а — перемещение по прямой; б — поворот
66
3. Станки, используемые в гибких производственных системах
Рис. 3.20. Схема функционирования устройства смены палет:
1 — шпиндель; 2 — стол станка; 3 — направляющие стола; 4 — механизм переме-
щения палет; 5 — направляющие механизма перемещения палет
детали, а на столе S2, находящемся вне зоны обработки, — ее замена.
Столы могут перемещаться прямолинейно или поворачиваться на
180°. В последнем случае рабочие столы устанавливаются на общем
поворотном столе S3.
В случае автоматической замены деталей, установленных на па-
летах, станок комплектуется устройством смены палет (рис. 3.20).
Во время обработки детали, установленной на палете Р1, оператор
устанавливает новую деталь на палету Р2. В соответствии с циклом
обработки палета Р1 с обработанной деталью перемещается по на-
правляющим из рабочей зоны, а палета Р2 — на стол станка. Далее
происходит замена детали на палете Р1, и цикл повторяется.
3.6. Устройства для замены деталей и режущих инструментов
67
3.6.2. Магазины режуших инструментов
Одна из особенностей многооперационных станков — автоматиче-
ская смена инструментов. Она осуществляется с помощью устройств,
передающих инструмент из магазина-накопителя в шпиндель станка
и обратно.
К инструментальным магазинам многооперационных станков предъ-
являются следующие требования:
1) вместимость магазина должна быть такой, чтобы комплекта
загруженных в него инструментов хватало для обработки типовой
детали;
- 2) он должен иметь простую конструкцию, быть достаточно ком-
пактным;
3)	магазин должен располагаться вне рабочей зоны станка, не ме-
шать рабочим движениям станка, установке и снятию заготовок, на-
ладке станка;
4)	должен быть обеспечен легкий, удобный и безопасный доступ на-
ладчика и оператора к инструментальному магазину;
5)	все подготовительные действия для смены инструментов долж-
ны выполняться на станке параллельно с обработкой детали, что со-
кращает затраты времени на смену инструмента;
6)	операции смены инструментов не должны вызывать вибраций
самого станка.
В подавляющем большинстве случаев для обработки корпусных
деталей необходимо значительное количество разнообразных ре-
жущих инструментов. Для их размещения на станке используются
различные инструментальные магазины — дисковые, барабанные
и цепные. Дисковые магазины (рис. 3.21, а) служат для размещения
сравнительно небольшого количества инструментов, обычно не бо-
лее 30. Барабанные магазины отличаются от дисковых способом
размещения инструментов и конструктивным исполнением. Цеп-
ные магазины имеют большую вместимость (60-100 инструментов и
более) и могут быть вертикальными (рис. 3.21, б), горизонтальными
(рис. 3.21, в), наклонными, Прямоугольными, треугольными, квад-
ратными (рис. 3.21, г) и более сложной (рис. 3.21, 5, е) формы. Это
обеспечивает компактность и возможность легкого доступа к мага-
зину для загрузки инструментов. Используются также многоярусные
дисковые и барабанные магазины большой вместимости (рис. 3.21, ж)9
имеющие, однако, значительные габариты и сложную конструкцию.
68
3. Станки, используемые в гибких производственных системах
Рис. 3.21. Схемы инструментальных магазинов
Выбор типа магазина зависит от назначения и компоновки станка.
Широкое распространение получили дисковые и барабанные мага-
зины вместимостью до 30 инструментов. Этого количества достаточно
для обработки, например, свыше 80 % типовых корпусных деталей
средних размеров.
3.63. Механизмы автоматической смены
инструментов
К механизмам автоматической смены инструментов относятся
кроме магазинов также накопители, стеллажи, автооператоры, за-
хватные устройства, транспортирующие устройства, зажимные уст-
ройства в шпинделе и в автооператорах. Классификация способов
автоматической смены инструментов дана на рис. 3.22.
3.6. Устройства для замены деталей и режуших инструментов
Рис. 3.22. Классификация способов автоматической смены инструментов
о
о
70
3. Станки, используемые в гибких производственных системах
Механизмы автоматической смены инструментов должны обес-
печивать:
□	стабильность точного и жесткого положения инструмента
в шпинделе после его закрепления; надежность закрепления инст-
румента в шпинделе, а также надежность работы всех звеньев систе-
мы автоматической смены инструментов;
□	минимальное время смены инструментов;
□	возможность изменения вместимости магазина;
□	возможность унификации и встройки с минимальными измене-
ниями в различные компоновки станков (механизм автоматической
смены инструментов изготавливают в виде отдельного агрегатного
узла);
□	компактность конструкции, хорошую защиту посадочных мест
инструментов от повреждений и загрязнений;
□	удобство обслуживания и соблюдение требований техники безо-
пасности.
Из всех конструкций устройств автоматической смены инстру-
ментов наиболее простой является конструкция с инструментальным
магазином, установленным на шпиндельной головке. При такой кон-
струкции отсутствует инструментальный автооператор, используются
магазины дискового или револьверного типа.
На рис. 3.23, а показана схема устройства многоцелевого станка
для автоматической смены инструментов с дисковым магазином на
15 инструментов. Смена инструментов и транспортирование их из
магазина в посадочное гнездо шпинделя осуществляются осевым пе-
ремещением шпинделя. Инструменты устанавливаются в магазине
в соответствии с последовательностью обработки детали. Перед уста-
новкой очередного инструмента шпиндель находится в верхнем по-
ложении над магазином соосно с закрепленным в нем посредством
фиксаторов блоком инструментов. При опускании шпинделя конус
втулки входит в гнездо шпинделя и автоматически закрепляется.
В рабочем положении шпиндель проходит через отверстие магазина.
После выполнения очередного перехода шпиндель поднимается и ин-
струмент входит в отверстие магазина (позиция /). При дальнейшем
перемещении шпинделя втулка с инструментом раскрепляется и удер-
живается в магазине фиксаторами (позиция II). После того как шпин-
дель поднимется в крайнее верхнее положение, магазин поворачива-
ется в положение, при котором гнездо со следующим инструментом
устанавливается соосно со шпинделем (позиция III). Шпиндель опус-
кается, захватывая инструмент из магазина, закрепляет его и пере-
мещается к обрабатываемой заготовке для выполнения очередного
перехода.	—
3.6. Устройства для замены деталей и режуших инструментов	71
а
Рис. 3.23. Устройства для смены инструмента
осевым перемещением шпинделя
Магазин 1 револьверного типа (рис. 3.23, б) устанавливается на
шпиндельной бабке таким образом, что один из инструментов (3)
магазина будет соосным со шпинделем 2 станка. Шпиндель станка,
передвигаясь вдоль оси, захватывает инструмент из магазина и пере-
мещает его в зону резания. При обратном ходе шпинделя инструмент
отсоединяется от него и закрепляется в магазине. После этого мага-
зин поворачивается по заданной программе в требуемую позицию
так, что очередной инструмент располагается соосно со шпинделем
станка. В магазинах такого типа устанавливается 12-16 инстру-
ментов.
Чтобы разместить инструментальный магазин вне рабочей зоны
станка, его поднимают над шпиндельной бабкой или выносят в сто-
рону от нее, а иногда устанавливают на отдельную стойку. Во всех
этих случаях оси инструментов в магазине и шпинделе не совпадают,
но могут быть параллельны между собой. При горизонтальной оси
шпинделя (рис. 3.24, а) магазин 1 размещают на вертикальных
направляющих стойки над шпиндельной бабкой 2. Это требует
дополнительного движения, необходимого для совмещения осей
72
3. Станки, используемые в гибких производственных системах
Рис. 3.24. Смена инструмента при параллельном расположение
шпинделя и магазина
сменяемого инструмента и шпинделя 3. Дисковый магазин опуска-
ется и свободным гнездом-вырезом захватывает оправку сменяемого
инструмента, которая перед этим автоматически раскрепляется.
Вслед за этим ползунковая бабка перемещается вдоль оси шпинделя,
а оправка с инструментом остается в гнезде магазина. Затем он пово-
рачивается для поиска следующего инструмента. После совмещения
нового инструмента со шпинделем следует ход ползунковой бабки
вперед, и инструментальная оправка закрепляется в отверстии шпин-
деля. Магазин поднимается за пределы рабочей зоны, шпиндель бы-
стро подводится к заготовке. При вертикальном шпинделе в ряде
конструкций станков предусмотрен быстрый подвод шпиндельной
бабки 2 из рабочей позиции до совмещения осей шпинделя 3 и отвер-
стия в магазине 1 (рис. 3.24, б). Остальные движения аналогичны
рассмотренным выше.
Во многих случаях потребная вместимость магазина составляет
20-60 инструментов, а иногда — более 100. В этом случае станок ком-
плектуется инструментальным автооператором. На рис. 3.25 приведе-
на классификация таких автооператоров. Они должны обеспечивать
надежное закрепление инструмента, легкое его высвобождение, точ-
ность конечных положений пути инструмента из магазина в шпин-
дель и безударную установку оправки в шпиндель с сохранением
безотказности в работе.
Существуют две принципиальные схемы работы автооператоров:
1) с вращательным и двумя поступательными перемещениями;
2) с вращательным и поступательным перемещением. В первой схеме
(рис. 3.26, а) автооператор 1 совершает ход снизу вверх, захватывает
Рис. 3.25. Классификация инструментальных автооператоров
3.6. Устройства для замены деталей и режущих инструментов
74
3. Станки, используемые в гибких производственных системах
Рис. 3.26. Схемы работы автооператоров
оправку инструмента, находящегося в гнезде, и вытаскивает ее, пере-
мещаясь вдоль оси инструмента. Инструмент, находящийся в шпин-
деле, запирается захватом при перемещении корпуса (каретки)
автооператора вниз. Затем автооператор ходом вдоль оси шпинделя
вытаскивает отработавший инструмент. Следует поворот автоопера-
тора вокруг своей оси на 180°, после чего к шпинделю подводится но-
вый инструмент; ходом вдоль оси он заталкивается в шпиндель, где
автоматически закрепляется. После этого каретка автооператора пере-
двигается вверх, перемещая отработавший инструмент в магазин 2.
В другой схеме (рис. 3.26, б) автооператор 1 имеет только одно
поступательное перемещение. При смене инструментов он, повора-
чиваясь вокруг горизонтальной оси, одновременно захватывает
инструменты из магазина 2 и шпинделя, а затем ходом вдоль оси
вытаскивает их, поворотом на 180° меняет местами и вставляет в ма-
газин и шпиндель. Цикл смены заканчивается поворотом автоопера-
тора в горизонтальное (нейтральное) положение, при котором он не
мешает повороту магазина и вертикальному перемещению шпин-
дельной бабки.
На рис. 3.27 показана последовательность работы такого автоопе-
ратора. Блок инструмента 4 установлен в шпинделе станка, а блок 1 —
в гнезде магазина. Поворотный двухзахватный оператор 2 снабжен
двумя вырезами с подпружиненными плунжерами 3. Автооператор
может вращаться относительно оси и перемещаться вдоль нее. При
смене инструмента автооператор поворачивается по ходу часовой
стрелки на 90°. При этом выступы А и В входят в канавки оправок
инструментов, установленных соответственно в шпинделе и магазине.
После того как зажимной механизм шпинделя освободит оправку,
автооператор, перемещаясь в осевом направлении, выводит оправки
из гнезд шпинделя и магазина и затем поворачивается на 90°. При
этом отработавший инструмент устанавливается соосно с гнездом
магазина, а новый инструмент — соосно с гнездом шпинделя. При
3.6. Устройства для замены деталей и режущих инструментов
75
Рис. 3.27. Схема работы двухзахватного автооператора
перемещении оператора в осевом направлении инструменты с оправ-
ками устанавливаются в гнездо шпинделя и гнездо магазина. После
закрепления оправок оператор поворачивается в исходное положе-
ние. Такие автооператоры широко применяются в автоматических
устройствах для смены инструментов с дисковыми инструменталь-
ными магазинами, расположенными на шпиндельной бабке, цепными
магазинами, а также для загрузки инструмента в шпиндель станка
из гнезда промежуточных транспортных устройств — перегружателей
инструментов.
При использовании автооператоров оси инструментов и шпинделя
могут быть параллельны и расположены по горизонтали (рис. 3.28, а)
или вертикали (рис. 3.28, б), а также размещаться под углом друг
к другу (рис. 3.28, в, г).
В зависимости от расположения шпинделя и магазина можно
применять следующие автооператоры:
□	простейшие рычажного типа без кантователей, когда ось инст-
румента параллельна оси шпинделя и магазин расположен на шпин-
дельной бабке;
□	с кантователем в одной плоскости;
□	с кантователем в двух плоскостях, с дополнительными транспор-
тирующими устройствами для перемещения в одном направлении;
76
3. Станки, используемые в гибких производственных системах
Рис. 3.28. Взаимное расположение автооператора и шпинделя станка:
1 — шпиндельная бабка; 2 — шпиндель; 3 — автооператор; 4 — магазин
□	с дополнительными транспортирующими устройствами для пе-
ремещения в двух направлениях.
В особую группу можно выделить устройства с позицией ожида-
ния между магазином и автооператором. В этой позиции могут нахо-
диться инструменты» подготовленные для подачи в шпиндель или
ожидающие возврата в магазин.
Используются также устройства, в которых имеется промежуточный
носитель, обеспечивающий связь между шпиндельной бабкой и мага-
зином и позволяющий удалять последний из рабочей зоны.
Для приводов автооператоров, кантователей и средств, транспор-
тирующих инструмент, используют как механические, так и гид-
равлические устройства.
3.7. Устройства для транспортирования стружки
77
Независимо от типа магазина и устройства для смены инструментов
последние устанавливаются в шпиндель станка или гнездо магазина
не непосредственно, а с помощью стандартных инструментальных
оправок или инструментальных блоков (см. гл. 7).
Устройства для транспортирования
3.7.
стружки
Надежное транспортирование стружки из рабочей зоны в услови-
ях работы ГПС является важной Задачей. С этой целью стремятся пре-
жде всего обеспечить формирование раздробленной стружки в виде
сравнительно мелких элементов. Такая форма стружки достигается
при использовании правильно подобранной формы передней поверх-
ности инструмента либо принудительным стружкодроблением путем
корректировки управляющей программы или использования специ-
альных устройств [5].
Раздробленная стружка падает на поддон станка, откуда удаляет-
ся с помощью транспортеров различных конструкций (рис. 8.29).
Рис, 3,29, Транспортеры для удаления стружки из рабочей зоны:
а — ленточный; б — скребковый; в — шнековый с одним и двумя шнеками
78	3. Станки, используемые в гибких производственных системах
Литература
1.	Honczarenko J. Elastyczna automatyzacja wytwarzania: Obrabiarki i sy-
stemy obrobkowe / J. Honczarenko. Warszawa: WNT, 2000. 486 s.
2.	Jehle R. Laser — unterstiitzt drehen fur die Serienfertigung / R. Jehle //
Werstatt und Betrieb. 1999. Bd. 132. № 5. S. 98-100.
3.	Neugebauer R. Neue Werkzeugmaschinenstrukturen I R. Neugebauer,
F. Wieland // ZWF. 1996. № 9. S. 363-366.
4.	Hexapod — Werkzeugmaschine fur die Hochgeschwindigkeitbearbeitung
/ R. Neugebauer, F. Wieland, M. Schwaar, A. Gohritz // ZWF. 1997. № 9.
S.447-449.
5.	Ящерицын П.И. Теория резания: Физические и тепловые процессы
в технологической системе / П.И. Ящерицын, М.Л. Еременко, Е.Э. Фельд-
штейн. Мн.: Выш. шк., 1990. 512 с.
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ
Классификация систем управления

станками
В настоящее время в станках, станочных системах, промышлен-
ных роботах используются числовые системы программного управ-
ления, сокращенно ЧПУ — CNC (Computer Numerical Control). Все
они включают вычислительное устройство (процессор), блоки памяти
и ввода-вывода информации. Характерные особенности систем ЧПУ
можно определить на основе обозначения их разновидностей:
Hand Numerical Control (HNC) — системы, позволяющие вво-
дить информацию вручную с клавиатуры на панели управления
и хранить ее в памяти станка; наиболее часто используется в токар-
ных станках с ЧПУ;
Speiher Numerical Control (SNC) — системы с хранением про-
граммы во внутренней памяти;
Direct Numerical Control (DNC) — системы более высокого уровня,
обеспечивающие: управление сразу несколькими станками; хране-
ние в памяти весьма значительного количества программ; взаимо-
действие со вспомогательными системами ГПС (транспортирования,
складирования); выбор времени начала обработки той или иной
детали; учет времени работы и простоев оборудования; учет количе-
ства обработанных деталей и т.д.
По характеру движения рабочих органов станка системы ЧПУ
подразделяются на позиционные, контурные и комбинированные.
Позиционные системы обеспечивают прямолинейное перемещение
исполнительного органа станка по одной или двум координатам. Кон-
турные системы предназначены для выполнения рабочих переме-
щений по определенной траектории с заданной скоростью согласно
программе обработки. Комбинированные системы обладают осо-
бенностями как позиционных, так и контурных систем и наиболее
типичны для многоцелевых станков.
80
4. Системы управления станками
Оси координат и структуры движений
станков с ЧПУ
Для всех станков с ЧПУ применяют единую систему обозначений
координат, рекомендованную стандартом ISO 841:1974 [1]. Коорди-
натами обозначают положение оси вращения шпинделя станка или
заготовки, а также прямолинейные либо круговые движения подачи
инструмента или заготовки. При этом обозначение осей координат и
направление движенйй в станках устанавливаются так, чтобы про-
граммирование операций обработки не зависело от того, перемеща-
ется инструмент либо заготовка или нет. За основу принимается
перемещение инструмента относительно системы координат непод-
вижной заготовки.
Стандартная система координат представляет собой правую пря-
моугольную систему, связанную с заготовкой, оси которой парал-
лельны прямолинейным направляющим станка.
Все прямолинейные перемещения рассматриваются в системе
координат X, Y, Z. Круговое движение по отношению к каждой из
координатных осей обозначают прописными буквами латинского
алфавита: А, В, С (рис. 4.1, а). Во всех станках ось Z совпадает с осью
шпинделя главного движения, т.е. шпинделя, вращающего инстру-
мент (в станках сверлильно-фрезерно-расточной группы), или шпин-
деля, вращающего заготовку (в станках токарной группы).
При наличии нескольких шпинделей в качестве основного выби-
рают один из них, предпочтительно перпендикулярный к рабочей
поверхности стола, на котором крепится заготовка. При неповорот-
ной оси основного шпинделя за ось Z принимают одну из трех осей
стандартной трехкоординатной системы, параллельную оси шпин-
деля. Если ось основного шпинделя может находиться в нескольких
положениях, параллельных различным осям стандартной трехкоор-
динатной системы, за ось Z принимают стандартную ось, предпочти-
тельно перпендикулярную к рабочей поверхности стола, на котором
крепится заготовка.
Движение по оси Z в положительном направлении должно соот-
ветствовать направлению отвода инструмента от заготовки. Если
станок применяется для сверления или растачивания с использова-
нием только трех основных линейных перемещений, то обработка
происходит при перемещении инструмента в отрицательном направ-
лении оси Z.
4.2. Оси координат и структуры движений станков с ЧПУ
81
Рис. 4.1. Системы координат станков с ЧПУ
Ось X должна располагаться предпочтительно горизонтально и па-
раллельно поверхности крепления заготовки. На станках с вращаю-
щейся заготовкой, например токарных, движение по оси X направлено
по радиусу заготовки и параллельно поперечным направляющим.
Положительное движение по оси X происходит, когда инструмент,
установленный на главном резцедержателе поперечных салазок, от-
ходит от оси вращения заголовки.
На станках с вращающимся инструментом (например, фрезер-
ных, сверлильных) при горизонтальном расположении оси Z поло-
жительное перемещение по оси X направлено вправо, если смотреть
от основного инструментального шпинделя в сторону изделия. При
вертикальном расположении оси Z положительное перемещение по
оси X направлено вправо для одностоечных станков, если смотреть
от основного инструментального шпинделя на стойку, а для двухстоеч-
ных — от основного инструментального шпинделя на левую стойку.
82
4. Системы управления станками
Положительное направление движения по оси У следует выбирать
так, чтобы ось У вместе с осями Z и X образовывала правую прямо-
угольную систему координат. Для этого пользуются правилом пра-
вой руки: большой палец — ось X, указательный — ось У, средний —
ось Z (рис. 4.1, б). При определении координатных перемещений
станка правую руку мысленно кладут тыльной стороной на обраба-
тываемую плоскость заготовки (рис. 4.1, а) так, чтобы полусогнутый
средний палец совпал с осью Z инструмента. Тогда большой палец
покажет направление оси X, а указательный — У.
Направления движения рабочих органов, несущих инструмент,
обозначаются буквами без штриха, а несущих заготовку — буквами
со штрихом (рис. 4.1, а). При этом положительное направление дви-
жения, обозначаемое буквой со штрихом, противоположно направ-
лению соответствующего движения, обозначенного той же буквой
без штриха. Так, на рис. 4.1, в движения инструмента вдоль своей
Рис. 4.2. Направления движения в станках с ЧПУ:
а — токарных; б — вертикально-фрезерных; в — многоцелевых
4.3. Разработка, отладка и корректирование управляющих программ 83
оси в направлении от заготовки обозначены +Z, а прямолинейные
перемещения заготовки--hX', +У.
Вращательные движения вокруг осей, параллельных X, Y и Z,
обозначаются буквами А, В и С соответственно. Для определения зна-
ка кругового перемещения мысленно охватывают правой рукой одну
из координатных осей так, чтобы большой палец показывал ее поло-
жительное направление (рис. 4.1, г). Тогда остальные пальцы пока-
жут положительное направление вращения.
Если дополнительно к основным (первичным) прямолинейным
движениям по осям X, Y и Z имеются вторичные движения, парал-
лельные им, то вторичные движения обозначаются соответственно
U, V, W. В случае, если имеются третичные движения, их обознача-
ют Р, Q и R.
Первичные, вторичные и третичные движения рабочих органов
станка определяются в зависимости от удаленности этих органов от
основного шпинделя. Например, на рис. 4.1, д движение стойки
станка параллельно оси шпинделя обозначено Z, параллельное ему
движение пиноли шпинделя — W, а быстрое перемещение шпин-
дельной бабки — R. Для станков с двумя функционально одинаковыми
рабочими органами, управляемыми от двух независимых двухкоор-
динатных устройств ЧПУ (например, для токарных станков с функ-
ционально одинаковыми шпинделями и суппортами), оси координат
для обоих одинаково работающих органов (например, суппортов)
обозначают одинаково: Z и X.
Вторичные вращательные движения, параллельные или не па-
раллельные А, В и С, обозначаются D или Е.
Примеры обозначения направлений движения в станках с ЧПУ
приведены на рис. 4.2.
Разработка, отладка и корректирование
управляющих программ
43Л. Разработка управляющих программ
При разработке управляющей программы необходимо:
1)	спроектировать маршрутную технологию обработки в виде по-
следовательности операций с выбором режущих и вспомогательных
инструментов и приспособлений;
2)	разработать операционную технологию с расчетом режимов ре-
зания и определением траекторий движения режущих инструментов;
4.3.
84
4. Системы управления станками
3)	определить координаты опорных точек для траекторий движе-
ния режущих инструментов;
4)	составить расчетно-технологическую карту и карту наладки
станка;
5)	закодировать информацию;
6)	нанести информацию на программоноситель и переслать в па-
мять устройства ЧПУ станка или вручную набрать на пульте устрой-
ства ЧПУ;
7)	проконтролировать и при необходимости исправить программу.
Для программирования необходимы чертеж детали, руководство
по эксплуатации станка, инструкция по программированию, каталог
режущих инструментов и нормативы режимов резания.
Согласно ГОСТ 20999-83 [2] запись элементов программы произ-
водится в определенном порядке в виде последовательности кадров
и с использованием соответствующих символов (табл. 4.1).
Таблица 4.1
Значения управляющих символов и знаков
Символ	Значение
А	Угол поворота вокруг оси X
В	Угол поворота вокруг оси Y
С	Угол поворота вокруг оси Z
D	Вторая функция инструмента
Е	Вторая функция подачи
F	Первая функция (скорость) подачи
G	Подготовительная функция
Н	Коррекция длины инструмента
I	Параметр угловой интерполяции или шаг резьбы параллельно оси X
J	Параметр круговой интерполяции или шаг резьбы параллельно оси Y
К	Параметр круговой интерполяции или шаг резьбы параллельно оси Z
L	Не определен
М	Вспомогательная функция
N	Номер кадра
О	Не определен
Р	Третичная длина перемещения, параллельного оси X
Q	Третичная длина перемещения, параллельного оси Y
R	Перемещение на быстром ходу по оси Z или третичная длина переме- щения, параллельного оси Z
4.3. Разработка, отладка и корректирование управляющих программ
85
	Окончание табл. 4.1
Символ	Значение
S Т и V	Функция (скорость) главного движения Первая функция инструмента Вторичная длина перемещения, параллельного оси X Вторичная длина перемещения, параллельного оси У
W	Вторичная длина перемещения, параллельного оси Z
X	Первичная длина перемещения, параллельного оси X
Y	Первичная длина перемещения, параллельного оси У
Z	Первичная длина перемещения, параллельного оси Z
ГТ	Символ, управляющий перемещением действующей позиции печа- ти в следующую (заранее определенную) знаковую позицию на той же строке; предназначен для управления устройствами печати при распечатке управляющей программы; устройство ЧПУ не восприни- мается
ПС %	Символ, обозначающий конец кадра управляющей программы Знак, обозначающий начало управляющей программы (использует- ся также для остановки носителя данных при обратной перемотке)
(	Знак, обозначающий, что следующая за ним информация не должна отрабатываться на станке
)	Знак, обозначающий, что следующая за ним информация должна отрабатываться на станке Математический знак
—	Математический знак
	Десятичный знак
/	Знак, обозначающий, что следующая за ним информация до первого символа «Конец кадра» может отрабатываться или не отрабатывать- ся на станке (в зависимости от положения органа управления на пульте управления устройства ЧПУ). Когда этот знак стоит перед символами «Номер кадра» и «Главный кадр», он действует на целый кадр управляющей программы Знак, обозначающий главный кадр управляющей программы
Если символы А, В, С, D, Е, Р, Q, R, U, V, W не применяются в зна-
чениях, указанных в таблице, они становятся неопределенными
и могут быть использованы для специальных значений.
Каждый кадр управляющей программы должен содержать:
□	слово «Номер кадра»;
□	информационные слова или слово (допускается не использо-
вать);
86
4. Системы управления станками
□	символ «Конецкадра»;
□	символы табуляции (допускается не применять). При исполь-
зовании символов табуляции они проставляются перед каждым сло-
вом в кадре управляющей программы, кроме слов «Номер каДра».
Символ «Табуляция» обозначается точкой (.), «Конец кадра» —
буквами ПС или принятыми символами, например *, $ и т.п.
Информационные слова в кадре рекомендуется записывать в та-
кой последовательности:
1)	слово (или слова) «Подготовительная функция»;
2)	слова «Размерные перемещения», которые рекомендуется за-
писывать в такой последовательности символов:
X, Y, Z, U, V, W, Р, Q, R, А, В, С;
3)	слова «Параметр интерполяции» или «Шаг резьбы» I, J, К;
4)	слово (или слова) «Функция подачи», которые относятся только
к определенной оси и должны следовать непосредственно за словами
«Размерное перемещение» по этой оси; слово «Функция подачи», отно-
сящееся к двум и более осям, должно следовать за словом «Размерное
перемещение»;
5)	слово «Функция главного движения»;
6)	слово (или слова) «Функция инструмента»;
7)	слово (или слова) «Вспомогательная функция».
Порядок и кратность записи слов с адресами D, Е, Н, U, V, W, Р,
Q, R, используемых в значениях, отличных от принятых, указыва-
ются в формате конкретного устройства ЧПУ.
В пределах одного кадра управляющей программы не должны
повторяться слова «Размерные перемещения» и «Параметр интер-
поляции» или «Шаг резьбы»; не должны использоваться слова
«Подготовительная функция», входящие в одну группу.
После символа «Главный кадр» в управляющей программе долж-
на быть записана вся информация, необходимая для начала или во-
зобновления обработки. Этот символ используется для определения
начала программы на носителе данных.
При необходимости режима «Пропуск кадра», например для осу-
ществления наладочных переходов при наладке станка и исключения
этих переходов после окончания наладки, перед символами «Номер
кадра» и «Главный кадр» должен записываться символ «Пропуск
кадра».
Каждое слово в кадре управляющей программы должно состоять
из символа адреса (прописная буква латинского алфавита согласно
табл. 4.1), математического знака «+» или ♦-» (при необходимости),
последовательности цифр.
4.3. Разработка, отладка и корректирование управляющих программ 87
Слова в управляющей программе могут быть записаны одним из
двух способов: без использования десятичного знака (подразумевае-
мое положение десятичной запятой) и с его использованием (явное
положение десятичной запятой). Явная десятичная запятая обозна-
чается символом «DS». Подразумеваемое положение десятичной за-
пятой должно быть определено в характеристиках конкретного
устройства ЧПУ. При записи слов с использованием десятичного
знака слова, в которых десятичный знак отсутствует, должны рас-
сматриваться устройством ЧПУ как целые числа. В этом случае мо-
гут быть опущены незначащие нули, стоящие до и(или) после знака:
Х.ОЗ означает размер 0,03 мм по оси X; Х1030 — размер 1030,0 мм по
оси X. Размер, представленный только нулями, должен быть выра-
жен по крайней мере одним нулем.
При записи слов с подразумеваемой десятичной запятой с целью
сокращения количества информации рекомендуется опускать нули,
стоящие перед первой значащей цифрой (ведущие нули). Последние
нули можно опускать (ведущие нули в этом случае опускать нельзя).
При опускании как ведущих, так и последних нулей положение под-
разумеваемой десятичной запятой остается неизменным согласно
характеристикам конкретного устройства ЧПУ.
Слово «Номер кадра» должно состоять из цифр, количество кото-
рых указывается в формате конкретного устройства ЧПУ.
Слово (или слова) «Подготовительная функция» должно быть вы-
ражено кодовым символом в соответствии с табл. 4.2 и 4.3.
Таблица 4.2 Подготовительные функции [3]	
Обозначение функции	Значение функции
G00	Позиционирование. Перемещение на быстром ходу в задан- ную точку. Ранее заданная рабочая подача не отменяется
G01	Линейная интерполяция. Перемещение с запрограммиро- ванной подачей по прямой к точке
G02, G03	Круговая интерполяция соответственно по ходу и против хода часовой стрелки
G04	Задержка в обработке на определенное время, которое задает- ся с пульта управления или в кадре
G05	Временный останов. Длительность останова не ограничена. В работу станок включается нажатием кнопки
G06	Параболическая интерполяция. Движение по параболе с за- программированной подачей
88
4. Системы управления станками
	Окончание табл. 4.2
Обозначение функции	Значение функции
G08	Разгон. Плавное увеличение скорости подачи до запрограм- мированного ее значения в начале движения
G09	Торможение в конце кадра. Плавное уменьшение скорости подачи до фиксированного значения
G17,G18,G19 G33,G34,G35	Плоскости интерполяции соответственно ХУ, XZ, YZ Нарезание резьбы соответственно с постоянным, увеличиваю- щимся и уменьшающимся шагами
G40	Отмена коррекции инструмента, заданной одной из функций G41—G52
G41,G42	Коррекция диаметра или радиуса инструмента при контур- ном управлении. Режущий инструмент расположен соответ- ственно слева и справа от детали
G43, G44	Коррекция диаметра или радиуса инструмента соответствен- но положительная и отрицательная
G45 — G52	Коррекция диаметра или радиуса инструмента при прямоли- нейном формообразовании: G45+/+, G46+/-, G47-/-, G48-/+, G49 0/+, G50 0/-, G51+/0, G52-/0
G53	Отмена линейного сдвига, заданного одной из функций G54—G59
G54 — G59	Линейный сдвиг по координатам X, У, Z и в плоскостях ХУ, ИХ, YZ соответственно
G63	Нарезание резьбы метчиком
G80	Отмена постоянного цикла, заданного одной из функций G81—G89
G81 — G89	Постоянные циклы
G90	Абсолютный размер. Отсчет перемещений в абсолютной сис- теме координат с началом в нулевой точке системы ЧПУ
G91	Размер в приращениях. Отсчет перемещений относительно предыдущей запрограммированной точки
G92	Установка абсолютных накопителей положения
G93	Скорость подачи в функции, обратной времени
G94, G95 G96	Единица подачи соответственно в минуту и на оборот Единица скорости резания (м/мин)
G97	Единица главного движения (об/мин)
Примечание. G07, GIO — G16, G20, G32, G36 — G39, G60 — G62, G64 — G79, G98,
G99 — резервные коды.
Таблица 4.3
Значения постоянных циклов
Подготовительная функция постоян- ного цикла	Движение в процессе обработки	Действие в конце обработки		Движение в исходное положение	Типовое использование
		Пауза	Шпиндель		
G81	Рабочая подача	—	—	Быстрый отвод	Сверление, зацен- тровка
G82	Тоже	Да	—	То же	Сверление, зенкеро- вание
G83	Подача с периодическим вы- водом инструмента	—	—	»	Глубокое сверление
G84	Вращение шпинделя в задан* ном направлении, рабочая по- дача шпинделя	—	Реверс	Отвод на рабочей подаче	Нарезание резьбы метчиком
G85	Рабочая подача	—	—	Тоже	Растачивание, раз- вертывание
G86	Включение шпинделя, рабо- чая подача	—	Останов	Быстрый отвод	Растачивание
G87	Тоже	—	Тоже	Отвод вручную	Тоже
G88		Да	»	Тоже	»
G89	Рабочая подача	Да	—	Отвод на рабочей подаче	Растачивание, раз- вертывание
4.3. Разработка, отладка и корректирование управляющих программ
90
4. Системы управления станками
Все размерные перемещения должны задаваться в абсолютных
значениях или приращениях. Способ управления должен выбирать-
ся одной из подготовительных функций: G90 (абсолютный размер)
или G91 (размер в приращениях).
За адресом каждого слова «Размерное перемещение» следуют две
цифры, первая из которых показывает количество разрядов перед
подразумеваемой десятичной запятой, отделяющей целую часть числа
от дробной, вторая — количество разрядов после запятой. Если мож-
но опустить нули, стоящие перед первой значащей цифрой и после
последней в словах «Размерные перемещения», за адресом «Размер-
ное перемещение» должны следовать три цифры. Если опускаются
нули, стоящие перед первой значащей цифрой, то нулем должна
быть первая цифра. Если опускаются нули, стоящие после значащей
цифры, нулем должна быть последняя цифра.
Все линейные перемещения должны быть выражены в миллимет-
рах и их десятичных долях. Все угловые размеры даются в радианах
или градусах. Допускается выражение угловых размеров в десятич-
ных долях оборота.
Ряд устройств ЧПУ имеет специальные циклы, «привязанные»
к конкретному станку. Например, токарные станки имеют циклы
нарезания резьб и канавок с автоматическим разделением на прохо-
ды, цикл глубокого сверления с автоматическим разделением на
проходы, цикл нарезания резьб метчиком или плашкой и др.
Если устройство ЧПУ допускает задание размеров в абсолютных
значениях (положительных или отрицательных) в зависимости от
начала системы координат, то математический знак («+» или «-»)
является составной частью слова «Размерное перемещение» и дол-
жен предшествовать первой цифре каждого размера.
Если абсолютные размеры всегда положительны, то между адре-
сом и следующим за ним числом не ставят никакого знака, а если они
либо положительны, либо отрицательны, то между адресом и сле-
дующим за ним числом ставится знак.
Если устройство ЧПУ допускает задание размеров в приращени-
ях, то математический знак должен предшествовать первой цифре
каждого размера, указывая направление перемещения.
Движение инструмента по сложной траектории обеспечивается
специальным устройством — интерполятором. Интерполяция линей-
ных и дуговых отрезков производится отдельно по участкам заданной
траектории. Каждый из участков может быть записан в одном или
нескольких кадрах управляющей программы.
Функциональный характер интерполируемого участка траекто-
рии (прямая, окружность, парабола или кривая более высокого
4.3. Разработка, отладка и корректирование управляющих программ 91
порядка) определяется соответствующей подготовительной функцией
(G01 - G03, G06). Для задания параметров интерполяции применя-
ют адреса I, J, К, используя их для определения геометрических ха-
рактеристик кривых (например, центра дуги окружности, радиусов,
углов и т.п.). В тех случаях, когда вместе с параметрами интерполя-
ции необходимо записать математический знак («+» или «-»), он
должен следовать за адресным символом и перед цифровыми симво-
лами. Если знак отсутствует, подразумевается знак плюс.
Начальная точка каждого участка интерполяции совпадает с ко-
нечной точкой предыдущего участка, поэтому в новом кадре она не
повторяется. Каждой последующей точке, лежащей на этом участке
интерполяции и имеющей определенные координаты, соответствует
отдельный кадр информации с адресами перемещений X, Y или Z.
Современные устройства ЧПУ в своем программном обеспечении
имеют «встроенные» функции для выполнения простейшей интер-
поляции. Так, в токарных станках с ЧПУ фаска под углом 45° зада-
ется адресом С со знаком и конечным размером по той координате, по
которой идет обработка детали перед фаской. Знак под адресом С
должен совпадать со знаком обработки по координате X (рис. 4.3, а).
Направление по координате Z задается только в отрицательную
сторону.
Для задания дуги указываются координаты конечной точки дуги
и радиус под адресом R с положительным знаком при обработке по
ходу часовой стрелки и отрицательным при отработке против хода
часовой стрелки (рис. 4.3, б).
Рис. 4.3. Программирование фасок (а) и дуг (б)
на токарном станке с ЧПУ
Подача и скорость главного движения кодируются числами, коли-
чество разрядов которых указано в формате конкретного устройства
ЧПУ. Выбор типа подачи должен осуществляться одной из подгото-
вительных функций: G93 (подача в функции, обратной времени),
G94 (подача в минуту), G95 (подача на оборот).
92
4. Системы управления станками
Выбор типа главного движения должен осуществляться одной из
подготовительных функций: G96 (постоянная скорость резания) или
G97 (обороты в минуту).
В качестве основного метода кодирования подачи используется
метод прямого обозначения, при котором должны применяться сле-
дующие единицы: миллиметр в минуту — подача не зависит от ско-
рости главного движения; миллиметр на оборот — подача зависит от
скорости главного движения; радиан в секунду (градус в минуту) —
подача относится только к круговому перемещению. При прямом ко-
дировании скорости главного движения число обозначает угловую
скорость шпинделя (в радианах в секунду или оборотах в минуту)
либо скорость резания (в метрах в минуту). Например, если в про-
грамме частота вращения шпинделя задана как S -1000, это означа-
ет, что шпиндель вращается по ходу часовой стрелки с частотой
вращения 1000 об/мин. (Если минус отсутствует, значит, вращение
шпинделя происходит против хода часовой стрелки.)
Для быстрого перемещения рекомендуется использовать под-
готовительную функцию G00, но допускаются и другие варианты
(см. табл. 4.2, 4.3).
Для скорости векторного перемещения, не зависящей от скоро-
сти главного движения, подача может быть выражена значением,
обратно пропорциональным времени (в минутах), необходимому для
отработки соответствующего кадра. В этом случае подача равна от-
ношению векторной скорости (в миллиметрах в минуту) к вектору
перемещения (в миллиметрах) по траектории обработки.
Слово «Функция инструмента» используется для выбора инстру-
мента. Допускается применять его для коррекции (или компенсации)
инструмента. В этом случае слово «Функция инструмента» будет со-
стоять из двух групп цифр. Первая группа используется для выбора
инструмента, вторая — для его коррекции. Если для записи коррек-
ции (компенсации) инструмента используется другой адрес, реко-
мендуется использовать символ D или Н.
Количество цифр, следующих за адресами Т, D и Н, указывается
в формате конкретного устройства ЧПУ.
Слово (или слова) «Вспомогательная функция» выражается кодо-
вым числом в соответствии с табл. 4.4.
В кадре управляющей программы, задающем режим резьбонаре-
зания, должна быть следующая информация:
□	подготовительная функция, определяющая режим резьбона-
резания;
4.3. Разработка, отладка и корректирование управляющих программ 93
□	размерные слова по адресам X и(или) Z, определяющие длину
участка резьбы;
□	слова по адресу I или К, определяющие шаг резьбы, параллель-
ной соответствующим осям координат.
Таблица 4А
Вспомогательные функции
Обозначение функции	Значение функции
МОО	Программируемый останов. Останов шпинделя, подачи и выключение охлаждения
М01	Останов с подтверждением. То же, что и МОО, но выполняет- ся при предварительном нажатии соответствующей кнопки на пульте оператора
М02	Конец программы. Останов шпинделя и выключение подачи СОЖ
МОЗ, М04	Вращение шпинделя соответственно по ходу и против хода часовой стрелки
М05	Останов шпинделя наиболее эффективным способом
М06	Смена инструмента. Команда на смену инструмента подается вручную или автоматически
М07, М08	Включение охлаждения соответственно № 2 и № 1
М09	Выключение охлаждения. Отменяет команды М07, М08, М50, М51
М10,М11	Зажим и разжим. Относится к зажимным приспособлениям столов станка, заготовки и т.д.
М13,М14	Вращение шпинделя по ходу и против хода часовой стрелки при одновременном включении охлаждения
М15, М16	Быстрое перемещение в ♦+» и
М17	Конец подпрограммы для устройства ЧПУ со встроенной па- мятью
М19	Останов шпинделя в определенном угловом положении
М20	Конец подпрограммы, которой является многократно счи- тываемая глава программы
МЗО	Конец информации
М31	Обход блокировки. Команда на временную отмену блокиров- ки
М36, М37	Диапазон подач соответственно № 1 и № 2
М38, М39	Диапазон вращения шпинделя соответственно № 1 и № 2
М48	Отмена М49
94
4. Системы управления станками
Окончание табл. 4.4	
Обозначение функции	Значение функции
М49	Отмена ручной коррекции
М50, М51	Включение охлаждения соответственно № 3 и № 4
М55, М56	Линейное смещение инструмента в положении № 1 и № 2 со- ответственно
М58	Отмена М59
М59	Постоянная скорость шпинделя
М60	Смена заготовки
М61,М62	Линейное смещение заготовки в фиксированное положение № 1 и № 2 соответственно
М68, М69	Зажим и отжим заготовки
М71,М72	Угловое смещение заготовки в фиксированное положение № 1 и № 2 соответственно
М78, М79	Зажим и отжим стола
Примечание. М12, М18, М21 — М29, М32 — М35, М40 — М47, М52 — М54, М57,
М63 — М67, М70, М73 — М77, М80 — М99 — резервные коды.
Значение шага резьбы должно быть выражено в миллиметрах на
один оборот шпинделя. Количество цифр в словах, задающих шаг
резьбы, определено в формате конкретного устройства ЧПУ. При на-
резании резьбы с переменным шагом слова под адресами I и К долж-
ны задавать размеры начального шага резьбы.
Слово «Функция подачи» при постоянном шаге резьбы програм-
мироваться не должно.
Управляющую программу рекомендуется составлять таким обра-
зом, чтобы в кадре записывалась только та геометрическая, техноло-
гическая и вспомогательная информация, которая изменяется по
сравнению с предыдущим кадром.
Каждая управляющая программа должна начинаться символам
«Начало программы», после которого должен стоять символ «Конец
кадра», а затем кадр с соответствующим номером. Если необходимо
обозначить управляющую программу, это обозначение (номер) должно
находиться непосредственно за символом «Начало программы» перед
символом «Конецкадра».
Управляющая программа должна*заканчиваться символом «Конец
программы» или «Конец информации». Информация, помещенная
после символа «Конец информации», не воспринимается устройством
4.3. Разработка, отладка и корректирование управляющих программ 95
ЧПУ. Перед символом «Начало программы» и после символов «Ко-
нец программы» и «Конец информации» на перфоленте рекоменду-
ется оставлять участки с символом ПУС («Пусто»).
4.3.2. Отладка и корректирование программ
При подготовке управляющей программы важным моментом
является разработка траектории движения режущих инструментов
относительно детали и на этой основе — описание движений соответ-
ствующих органов станка. Для этого используется несколько систем
координат.
Главная расчетная система — система координат станка, в ко-
торой определяются предельные перемещения и положения его ра-
бочих органов. Эти положения характеризуются базовыми точками,
которые выбираются в зависимости от конструкции станка. Напри-
мер, для шпиндельного узла базовой является точка пересечения
торца шпинделя с осью его вращения, для крестового стола — точка
пересечения его диагоналей, для поворотного стола — центр поворо-
та на зеркале стола и т.д. Положение осей и их направления в стан-
дартной системе координат рассмотрены в § 4.2. Начало стандартной
системы координат обычно совмещается с базовой точкой узла, несу-
щего заготовку. При этом узел фиксируется в таком положении, при
котором все перемещения рабочих органов станка происходят в по-
ложительном направлении (рис. 4.4). От этой базовой точки, назы-
ваемой нулем станка, определяется положение рабочих органов,
если информация об их положении потеряна (например, вследствие
аварийного выключения электроэнергии). В нуль станка рабочие ор-
ганы перемещаются при нажатии соответствующих кнопок на пуль-
те управления или с помощью команд управляющей программы.
Точный останов рабочих органов в нулевом положении по каждой из
координат обеспечивается датчиками нулевого положения. В ряде
случаев, например при токарной обработке, нуль станка во избежа-
ние аварии устанавливается со смещением.
При закреплении заготовки на станке можно рассматривать си-
стему координат детали с базовой точкой, определяющей поло-
жение этой системы и системы координат станка относительно друг
друга (см. рис. 4.4). Иногда такая связь осуществляется при исполь-
зовании базовой точки крепежного приспособления.
Система координат инструмента предназначена для задания
положения его рабочей части относительно узла крепления. Инстру-
мент описывается в рабочем положении в сборе с державкой. При
этом оси системы координат инструмента параллельны соответст-
96
4. Системы управления станками
Ёующим осям стандартной системы координат станка и направлены
в ту же сторону. За начало системы координат инструмента прини-
мают базовую точку инструментального блока, выбираемую с учетом
особенностей его установки на станке. Положение вершины инстру-
мента задается радиусом г и координатами X и Z ее настроечной точ-
ки. Эта точка обычно используется при определении траектории,
элементы которой параллельны координатным осям. При криволи-
нейной траектории за расчетную точку принимают центр закругле-
ния при вершине инструмента. Связь между системами координат
станка, детали и инструмента легко проследить по рис. 4.4.
- нулейая точка станка
& - нулевая точка отсчета
-	нулевая точка инструмента
-	нулевая точка детали
ф- - точка смены инструмента
Рис. 4.4. Системы координат детали при обработке на фрезерном (а) '
и токарном (б) станках с ЧПУ
4.3. Разработка, отладка и корректирование управляющих программ
97
При разработке управляющей программы и обработке детали ис-
пользуют систему координат программы. Ее оси параллельны осям
координат станка и так же направлены. Начало координат (исход-
ная точка станка) выбирают исходя из удобства отсчета размеров.
Чтобы избежать значительных холостых ходов, исходное положе-
ние, от которого начинается обработка и в котором производится
смена заготовок и инструментов, задается так, чтобы инструменты
находились возможно ближе к обрабатываемой детали.
Для «привязки» в пространстве системы измерения перемещений
станка используется нулевая (базовая) точка отсчета. При каждом
включении станка эта точка «привязывает» измерительную систему
к нулевой точке станка.
Для удобства настройки современные устройства ЧПУ позволяют
смещать начало системы координат программы в пространстве во
всем диапазоне перемещений рабочих органов. Если при любом их
положении нажать кнопку сброса геометрической информации на
пульте устройства ЧПУ, то начало отсчета координат сместится в но-
вую точку, соответствующую новому расположению рабочих орга-
нов. Для этой цели можно использовать также программируемый
сдвиг нуля, который кодируют подготовительной функцией G92. Та-
кой кадр отрабатывается без перемещения рабочих органов станка.
При смене режущих инструментов в ходе обработки деталей мо-
жет возникнуть несоответствие результатов обработки требованиям
к ней (потеря точности, возрастание шероховатости, появление виб-
раций и т.д.). В этом случае необходимо оперативно откорректиро-
вать программу. Погрешности обработки, требующие коррекции,
могут возникнуть при сверлении отверстий, точении конических
и фасонных поверхностей вследствие наличия у резцов радиуса вер-
шины.
Возможны две разновидности коррекции — на длину и на радиус
инструмента. В первом случае коррекция длины сверла или вылета
державки резца осуществляется с помощью команды Н с набором
цифр, соответствующих величине коррекции. Например, кадр
N060 Т02 Н15
означает введение коррекции на длину 15 мм для инструмента № 2.
Второй случай обеспечивает коррекцию радиуса инструмента и свя-
зан с тем, что при точении конических и фасонных поверхностей
и при фрезеровании контуров траектория движения центра радиусной
поверхности инструмента должна представлять собой эквидистанту
относительно поверхности детали. В противном случае возникают
погрешности формы поверхности (рис. 4.5).
98
4. Системы управления станками
Теоретический центр
Рис. 4.5. Компенсация радиуса резца
Приведем фрагмент программы для компенсации радиуса резца:
N035 G81 X +25 Z +4 I +7
N036 G41
Описание контура обработки
N053 G40
N054 G80
Фрагмент программы, предусматривающий фрезерование по эк-
видистанте (рис. 4.6):
% 150
N005	G90	G00	ХО	Y0	S1000	Т01М03
N006	G41	G01	Х220	Y100	F100	
N007			Х220	Y430	F50	
N008	G02	G17	Х370	Y580	1370	J430
N009	> G01		Х705	Y580		
N010			Х480	Y190		
N011			Х220	Y190		
N012	G00		ХО	Y0	М05	
N013	М02					
Функция G41 (коррекция диаметра фрезы, если фреза находится
слева от детали) в кадре N006 обеспечивает движение центра фрезы
по эквидистанте относительно обработанной поверхности.
Литература	99
Рис. 4.6. Движение фрезы по эквидистанте при фрезеровании
наружного контура
В ряде случаев требуется скорректировать подачу, чтобы умень-
шить шероховатость обработанной поверхности, исключить вибра-
ции и т.д. Для этого на пульте управления необходимо установить
новое значение подачи и ввести его в память устройства ЧПУ.
Литература
1.	ISO 841:1974. Numerical control of machines. Axis and motion nomen-
clature.
2.	ГОСТ 20999 — 83. Устройства числового программного управления
для металлообрабатывающего оборудования. Кодирование информации
управляющих программ.
3.	Каштальян И.А. Обработка на станках с числовым программным
управлением: справ, пособие / И.А. Каштальян, В.И. Клевзович. Мн.:
Выш. шк., 1989. 271 с.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАГОТОВКАМИ
И ДЕТАЛЯМИ В ГИБКИХ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМАХ
Назначение и функции
подсистем обеспечения
заготовками и деталями
Условиями, обеспечивающими безлюдную работу ГПС, являются
наличие необходимого запаса изделий и инструментов, автоматизация
их перемещения между РМ и местами складирования, автоматизация
манипуляционных функций (передвижение, хватание, установка и сня-
тие, базирование, закрепление и открепление).
Конфигурация ГПС в значительной степени зависит от исполь-
зуемых средств перемещения материалов (заготовок и деталей).
В системе обеспечения деталями и заготовками можно выделить
три функциональные подсистемы: транспортирования, складиро-
вания, манипулирования.
Транспортная подсистема служит для изменения расположения
предметов, т.е. их перемещения. Перемещение может осуществляться
между центральным магазином и РМ, между двумя магазинами
и между отдельными РМ.
Складирование обеспечивает создание производственных запасов,
необходимых для надежной работы ПС. Кроме того, оно позволяет
выравнивать загрузку отдельных РМ и исключать последствия воз-
можных отказов (аварий) оборудования.
Манипулирование подразумевает перемещение деталей и заго-
товок со сменой их ориентации. Оно наблюдается при перемещении
предметов из магазина на транспортные средства и с транспортных
средств на РМ, а иногда непосредственно из магазина на РМ.
Представленное разделение подсистем является в значительной
мере условным, в практике они часто объединены, например транс-
портирование + складирование или транспортирование + манипули-
рование.
5.2. Подсистема транспортирования изделий
101
5.2г
Подсистема транспортирования изделий
5.2.1.	Классификация транспортных средств
Наличие носителя изделия. Транспортирование изделий в ГПС
может осуществляться с помощью носителей изделий или без них.
В первом случае необходимы специальные вспомогательные устрой-
ства, служащие для удержания перемещаемых изделий в положении,
необходимом для последующего манипулирования или обработки.
Носители изделий, используемые в ГПС, представлены на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Носители изделий в ГПС
Изделия, находящиеся на носителях, во время транспортирова-
ния могут быть закреплены или расположены свободно. Если предмет
закреплен, то в качестве носителя всегда используется так называемая
палета, на которой может быть закреплено одно или несколько из-
делий. Закрепление для транспортирования в данном случае являет-
ся также закреплением для обработки на РМ. Если же предмет в ходе
транспортирования не закреплен, то его удержание на носителе обес-
печивается за счет действия силы тяжести и необходимых опорных
элементов. Одиночный предмет в этом случае также перемещается
на палете, а для перемещения нескольких предметов наряду с пале-
той можно использовать контейнеры или иные емкости.
В ГПС применяются два вида палет. Палеты, используемые на
входе-выходе из системы, называются транспортными; другая раз-
102
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
новидность палет — станочные; они служат для обработки деталей
на конкретном станке. Обе разновидности палет могут быть унифи-
цированными или специализированными (последние не всегда мож-
но использовать вне данной ГПС).
Структура транспортной подсистемы. В ГПС используют три раз-
новидности транспортных подсистем (рис. 5.2): линейную, маятни-
ковую и замкнутую. Транспортирование может быть прямым или
разветвленным; последнее является значительно более гибким
с точки зрения оптимизации транспортных путей и минимизации
количества транспортирующих перемещений. В линейной транс-
портной подсистеме существует только одно, постоянное направле-
ние движения изделий, а вход и выход транспортирующей подсистемы
разделены. Поскольку возможность обратного перемещения (на пре-
дыдущее РМ) отсутствует, такая система имеет очень малую гибкость.
Маятниковая подсистема обеспечивает минимизацию транспорт-
ных путей. Достоинством замкнутой подсистемы является обеспе-
чение постоянства положения изделия при перемещении на место
обработки.
Рис. 5.2. Структура транспортных подсистем ГПС
Разновидности транспортных средств. На рис. 5.3 представлены
типы устройств, наиболее часто используемых в ГПС для транспор-
тирования изделий. В зависимости от характера работы их можно
условно разделить на работающие непрерывно и прерывисто, а в за-
висимости от расположения относительно уровня пола — на связан-
ные и не связанные с ним.
5.2. Подсистема транспортирования изделий
103
Рис. 5.3. Средства транспортирования изделий в ГПС
Существуют три группы средств транспортирования изделий:
1)	транспортеры (роликовые, ленточные, цепные, подвесные замк-
нутые);
2)	тележки (вильчатые, рельсовые и безрельсовые);
3)	краны (в том числе штабелеры и краны с ЧПУ).
5.2.2.	Палеты для складирования и транспортирования
деталей типа тел врашения
Перемещения деталей типа тел вращения в ГПС осуществляются
чаще всего с использованием простейших транспортных палет без
закрепления на них изделий. Такие палеты одновременно выполняют
104
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
функции транспортирования и складирования. Существуют три их
разновидности:
1)	одиночные палеты (рис. 5.4), которые перемещаются пооди-
ночке и не могут быть уложены в несколько ярусов;
2)	выдвижные палеты (рис. 5.5), установленные в специальных
контейнерах, с возможностью выдвижения-задвижки;
3)	многоярусные палеты (рис. 5.6), которые можно располагать
поблизости от РМ одна на другой, в штабелях.
Рис. 5.4. Одиночные палеты для складирования деталей:
а — обрабатываемых с закреплением в центрах; б — обрабатываемых с закреп ле-
нием в патроне
Рис. 5.5. Выдвижные палеты
Перспективным является создание универсальных многопредмет-
ных палет на основе универсальных модулей. Такие палеты (рис. 5.7)
состоят из рамы 4, обеспечивающей возможность обработки различ-
ных по форме изделий 3 на различных РМ, вставок 1, которые ис-
пользуются для установки специальных элементов 2, служащих для
5.2. Подсистема транспортирования изделий
105
Рис. 5.7. Универсальные палеты модульной конструкции
размещения заготовок (деталей); форма и размеры этих элементов
определяются формой и размерами заготовок (деталей).
Несущая рама (сварная стальная конструкция) имеет размеры
европалет (1200 х 800 мм), хотя могут быть использованы и меньшие
габариты. Имея гладкую опорную поверхность, рама может быть ус-
тановлена на полу либо перемещаться на роликах или с помощью
цепных транспортеров. Расположенные поперек или вдоль рамы за-
щитные трубки предохраняют изделия от повреждений в ходе транс-
портирования. В углах рамы приварены подпорки для укладывания
изделий в несколько ярусов. Расстояния между ярусами могут быть
изменены с помощью вставляемых мерных стержней.
Для выбора палет можно использовать следующие критерии: со-
ответствие габаритам европалет; масса изделий и палет; количество
изделий, размещенных на палете (зависит от размеров и формы изде-
лий); минимальное штучное время обработки одного изделия; тре-
буемое время безлюдной работы ГПС.
В общем случае можно рекомендовать:
□	для изделий, имеющих сравнительно малые размеры и дли-
тельное время обработки, когда запаса изделий на одной-двух палетах
достаточно для обеспечения устойчивой работы ГПС, использовать
одиночные палеты;
□	для крупногабаритных изделий с малым временем обработки
применять выдвижные и многоярусные палеты с дополнительными
устройствами для манипулирования ими.
106
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
5.2.3.	Палеты для складирования и транспортирования
корпусных деталей
К таким палетам относятся палеты со смонтированными на них
крепежными приспособлениями или специальные транспортные па-
леты. Время, необходимое для замены палет, можно значительно со-
кратить, вынеся действия закрепления-открепления заготовок из
рабочей зоны на дополнительный носитель сменных палет, который
обеспечивает быстрый их возврат обратно в рабочую зону.
Наиболее распространены станочные (входящие в комплектацию
ГПМ), транспортные и вспомогательные палеты.
Чаще всего в ГПС используются палеты, служащие одновременно
как для базирования и закрепления деталей, так и для транспорти-
рования и манипулирования ими. Это обеспечивает гибкость транс-
портной подсистемы, поскольку, с одной стороны, все палеты имеют
унифицированную рабочую поверхность, а с другой — столы системы
Рис. 5.8. Схемы станочных палет согласно нормам:
а — японским; б — французским; в — немецким
5.2. Подсистема транспортирования изделий
107
транспортирования и манипулирования приспособлены для исполь-
зования палет конкретного типа.
В случае использования станочных палет, входящих в ГПМ, за-
готовка крепится на них вне пределов рабочей зоны, параллельно
с обработкой иной детали. После этого она перемещается в рабочую
зону, где автоматически фиксируется для обработки. Некоторые кон-
струкции таких палет представлены на рис. 5.8.
Стандарт ISO 8526-1:1990 [1] предусматривает целый ряд элементов
для базирования и закрепления как самих палет, так и обрабатываемых
деталей и направлен на еще большую универсализацию конструк-
ции палет (рис. 5.9). В зависимости от площади зеркала их рабочие
поверхности могут иметь резьбовые отверстия (рис. 5.10), радиаль-
ные Т-образные пазы (рис. 5.11), взаимно параллельные Т-образные
пазы с шагом 63...160 мм (рис. 5.12), Т-образные пазы и шпонки,
сдвоенные Т-образные пазы, идущие в радиальном направлении,
а также могут быть гладкими.
Рис. 5.9. Функциональные поверхности станочных палет:
1 — кромки для базирования; 2 — отверстия для защелки; 3 — зеркало; 4 — по-
верхность для временной установки; 5 — поверхность базирования; 6 — поверх-
ность для закрепления палеты; 7 — отверстие для установки палет в очереди для
обработки; 8 — поверхности для транспортирования палет; 9 — отверстия для ба-
зирования; 10 — центральное отверстие
108
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
Рис. 5.10. Станочная палета с резьбовыми отверстиями
Рис. 5.11. Зеркало палеты с радиальными Т-образными пазами
К станочным палетам предъявляются высокие требования по точ-
ности позиционирования, жесткости, виброустойчивости, сопротивле-
нию действию сил резания; они не должны реагировать на воздействие
СОЖ и образующейся в ходе обработки стружки. Типовая конструк-
ция станочных палет показана на рис. 5.13. Такие палеты имеют
точность позиционирования 0,002 мм и обеспечивают надежное за-
крепление деталей при обработке. Установка осуществляется с по-
мощью плоской пружины на четырех призматических базирующих
элементах на столе ГПМ. Палеты используются для токарной, фре-
зерной, шлифовальной и электроэрозионной обработки.
5.2. Подсистема транспортирования изделий
109
Рис. 5.12. Палеты со взаимно параллельными Т-образными пазами
Рис. 5.13. Конструкция системы палет фирмы «Erowa»:
1 — патрон, устанавливаемый на столе станка; 2 — базирующие призмы; 3 —
стержень для крепления; 4 — электромуфта; 5 — плоская пружина; 6 — переход-
ные палеты; 7 — палеты изделий с крепежными элементами
110
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
При выборе палет следует руководствоваться следующими крите-
риями:
□	возможность установки предметов или непосредственно на па-
лете, или в размещенном на ней крепежном приспособлении;
□	возможность размещения на палете нескольких заготовок;
□	соответствие размерам и форме заготовок;
□	соответствие размерам стола станка;
□	общее количество используемых в ГПС палет, что связано
с количеством РМ, временем обработки изделий и временем работы
в безлюдном режиме;
□	стоимость палет вместе с закрепленными на них приспособле-
ниями.
Транспортные палеты (рис. 5.14) используются в ГПМ и ГПС.
Они состоят из корпуса 1 и пластиковых вставок 2, количество кото-
рых определяется количеством транспортируемых объектов. В каж-
дой вставке выполнено гнездо 3 соответствующей формы, служащее
для размещения деталей и обусловливающее их строго определенное
положение в процессе транспортирования. Использование пласти-
ка, обладающего высоким сопротивлением изнашиванию, обеспечи-
вает сохранность гнезд, которые могут повреждаться при частых
сменах деталей, снижает массу палеты, повышает ее ремонтопригод-
ность.
Вспомогательная палета (рис. 5.15) представляет собой сталь-
ную раму, в которой размещается деталь. Такая палета с помощью
транспортеров перемещается к станку. Вспомогательные палеты ис-
5.2. Подсистема транспортирования изделий
111
Рис. 5.15. Вспомогательная палета:
1 — прихват для закрепления заготовки; 2, 8, 9 — установочные элементы;
3 — приспособление для закрепления заготовки; 4 — стол станка; 5 — упругие
направляющие; 6 — вспомогательная палета рамной конструкции; 7 — опорные
элементы; 10 — заготовка
пользуются для создания межоперационных заделов при безлюдной
обработке партии деталей (в третью смену), поскольку они значи-
тельно дешевле станочных палет.
5.2.4* Устройства для перемещения деталей
Общие сведения. Автоматизированные устройства для транспор-
тирования палет с закрепленными изделиями в ГПС могут быть
специальными или универсальными. Они должны обеспечивать:
1) гибкую связь с устройствами и подсистемами складирования, ста-
ционарными промышленными роботами или робокарами; 2) распо-
знавание палет, изделий, направлений движения, расстояний и т.д.;
3) создание цельной транспортной подсистемы вместе с устройствами
для смены положения изделия (поворот, смена уровня, закрепле-
ние-открепление и т.д.). Рассмотрим некоторые разновидности таких
устройств.
Тянущие транспортеры'с модульной структурой. Такие транс-
портеры разработаны фирмой «Bosch» и характеризуются простотой
конструкции и возможностью легкой смены конфигурации. Переме-
щение изделий осуществляется на палетах, закрепленных на несу-
щих плитах. Системы обеспечивают транспортирование изделий к
местам обработки, сборки или складирования. В зависимости от га-
баритов и массы изделий предлагается четыре варианта: TS-1, TS-2,
TS-3 (рис. 5.16, 5.17) и TS-4. Размеры транспортных палет и допус-
тимая масса изделий указаны в табл. 5.1.
112
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
Таблица 5.1
Типоразмеры транспортных подсистем фирмы «Bosch»
Вариант	Габариты палет, мм	Максимальная масса детали, кг
TS-1	80x80	1,5
TS-2	160 х 160.. .640x640	30
TS-3	300х400...800х800	70
TS-4	860x1260	240
Рис. 5.16. Схема транспортирующей подсистемы TS-3 фирмы «Bosch»:
1 — привод; 2 — соединительные устройства; 3 — участок системы перемещения;
4 — ленточный транспортер; 5 — устройство для изменения направления движе-
ния; 6 — опора; 7 — привод поперечного перемещения
Транспортные палеты состоят из двух основных частей: металли-
ческой или пластмассовой рамы (в зависимости от массы переме-
щаемых изделий) и стальной или пластмассовой несущей плиты.
Несущая конструкция выполнена на основе профилированных эле-
ментов из алюминиевых сплавов и имеет форму, обеспечивающую
возможность перемещения палет. Внутри ее размещен цепной при-
вод, а между боковыми участками рамы располагаются несущие пли-
ты с палетами. Форма подсистемы может изменяться в зависимости
от потребностей, но общая длина не должна превышать 50 м.
5.2. Подсистема транспортирования изделий
113
Рис. 5.17. Компоненты транспортирующей подсистемы TS-3 фирмы «Bosch»:
а — палета изделия; б — привод; в — устройство для изменения направления дви-
жения; г — участок системы перемещения; д — профили системы перемещения;
е — приводная цепь; ж — ленточный транспортер; з — привод поперечного пере-
мещения; и — устройство позиционирования; к — устройство дозирования (сор-
тировки); л — несущая конструкция; м — конечные выключатели; н — система
идентификации изделий (палет); о — вспомогательные устройства; п — опора
114
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
Ленточные транспортеры. Типовая схема такого транспортера
показан^ на рис. 5.18. В ГПС могут быть использованы плоские транс-
портеры, если пути перемещения изделий совпадают с последова-
тельностью операций. Они работают на горизонтальных участках
системы и участках, имеющих некоторый наклон. Предметы переме-
щаются поодиночке либо в контейнерах. Лента опирается на ролики
или плоские беговые дорожки (стальные, пластмассовые и т.д.). На
токарных ГПМ транспортеры могут использоваться в качестве нако-
пителей.
Рис. 5.18. Схема ленточного транспортера:
1 — передний барабан; 2 — лента; 3 — поддерживающие ролики; 4 — несущая
конструкция; 5 — привод
Многозвенные цепные транспортеры. Звенья таких транспорте-
ров имеют вид плит или лотков и закрепляются на цепи. Транспортеры
работают в горизонтальной и вертикальной плоскостях, обеспечивая
перемещение по прямой или сложной кривой. Транспортеры с лот-
ками могут использоваться также для транспортирования стружки.
Схемы некоторых транспортеров показаны на рис. 5.19, 5.20.
Роликовые транспортеры. На таких транспортерах изделия
перемещаются с помощью роликов (валиков), расположенных в оп-
ределенной последовательности на некотором расстоянии друг от
друга. Предметы могут перемещаться непосредственно по роликам
или размещаться в контейнерах либо на палетах. Транспортеры мо-
гут быть приводными, бесприводными или иметь смешанную кон-
струкцию.
Бесприводной транспортер не имеет собственного привода, и из-
делия перемещаются либо в результате наклона его участка под дей-
ствием силы собственной тяжести, либо вручную.
В транспортерах с приводом груз перемещается с помощью сис-
тем электродвигатель — редуктор, как правило, в горизонтальной
плоскости. Валики могут иметь индивидуальный природ. Движение
5.2. Подсистема транспортирования изделий
115
валикам передается с помощью ремней или цепей. Такой транспортер
состоит из отдельных участков, соединяемых между собой (рис. 5.21).
Использование дополнительных радиусных участков позволяет рас-
ширять формы транспортеров.
Рис. 5.19. Разновидности цепных транспортеров:
а — барабанный с центрирующими оправками; б — элеваторный
Рис. 5.20. Схема цепного транспортера для контейнеров:
1 — участки конвейера; 2 — цепи; 3 — привод
116
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
Рис. 5.21. Роликовый транспортер с приводом
Подвесные транспортеры. Такие транспортеры обеспечивают луч-
шее использование производственных площадей, перемещая груз по
подвесным путям, соответствующим образом расположенным в про-
странстве. Детали могут перемещаться поодиночке либо в контейне-
рах с помощью транспортных тележек, подвесных крюков и т.д.
В однопутных подвесных транспортерах предметы перемещаются
с помощью тележек, постоянно связанных с подвижным тянущим
устройством. Движение тележек осуществляется на высоте, прием-
лемой для оператора; тележки соединены между собой с помощью
гибкого троса или цепи. К тележкам прикреплены подвесы для гру-
за. Тележки и тянущее устройство перемещаются по одному и тому
же замкнутому пути (рис. 5.22), а в двухпутных транспортерах те-
лежки — по двум отдельным путям.
Рис. 5.22. Подвесной однорельсовый транспортер:
1 — крючья; 2 — рельс; 3 — цепь; 4 — короб
5.2. Подсистема транспортирования изделий	117
Современные подвесные транспортеры позволяют автоматически
подавать детали непосредственно в рабочую зону или на РМ, обеспе-
чивают легкость изменения траектории движения груза в зависимости
от изменений технологического процесса, автоматическое разделение
деталей (различных) после обработки и создание на подвесных путях
межоперационных магазинов. Тележки с технологическими подве-
сами имеют собственный независимый электропривод (рис. 5.23).
Рис. 5.23. Подвесной рельсовый путь с тележками,
имеющими независимый привод:
1 — приводной ролик; 2 — привод; 3 — несущий рельс; 4 — направляющий рельс;
5 — электрошкаф; 6 — направляющие ролики; 7 — подвес
Перемещение деталей на уровне «выше пола» можно осуществить
с помощью толкателя с программным управлением. Это позволяет
оптимизировать использование рабочей площади, соответствующим
образом располагая ГПС и их участки.
Рельсовые тележки. Существуют различные способы загруз-
ки-выгрузки деталей на такие тележки, каждый из которых требует
специальной конструкции самой тележки, палет и соответствую-
щих загрузочных устройств. Они используются в первую очередь
в ПС с жесткой структурой для обработки корпусных деталей. Те-
лежки перемещаются вдоль-прямолинейной трассы между РМ (рис.
5.24). Обычно тележки забирают палету с изделием из входного ма-
газина и подают ее поочередно на РМ.
Безрельсовые тележки (робокары). Они функционируют в совре-
менных системах транспортирования и имеют специальные элемен-
ты навигации. В простейшем случае тележки перемещаются только
на основе использования штриховых или магнитных кодов. Более
современные конструкции тележек обеспечивают сход с трассы дви-
жения, самостоятельное движение к определенному месту и возврат
118
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
на трассу. Наиболее перспективны полностью роботизированные си-
стемы, способные к самостоятельному перемещению и манипулиро-
ванию.
1	2
Рис. 5.24. Рельсовая тележка:
1 — механизм загрузки-выгрузки палет; 2 — деталь; 3 — палета; 4 — буфер безо-
пасности; 5 — рельсовый путь
Движение робокаров по проложенному пути требует соответст-
вующего управления и пространственной ориентации. Некоторые
способы обеспечения такого движения приведены на рис. 5.25.
Рис. 5.25. Способы управления движением робокаров
Пассивное управление (слежение) с наличием линии управления
основано на использовании штриховых кодов, нанесенных химиче-
5.2. Подсистема транспортирования изделий	119
ским либо физическим способом или наклеенных. Чтение информа-
ции обеспечивается дефектоскопами металла или фотооптическими
преобразователями. В последнем случае необходимо вмонтировать
под полом цеха системы фотоэлементов. Оптическая система функцио-
нирует и при ином методе слежения, который основан на возбуждении
ультрафиолетовым излучением частиц, расположенных в соответст-
вующих местах на поверхности пола. Частицы генерируют ответное
излучение в невидимой части спектра. Сенсорная головка сканирует
поверхность вдоль пути движения и передает информацию микро-
процессору, который по уровню освещенности определяет, находится
тележка по центру траектории своего перемещения или уклонилась
от этого центра. Вдоль пути перемещения в соответствующих пунктах
нанесены функциональные «дорожные знаки» на основе штрихов,
перпендикулярных к траектории направления движения и выпол-
ненных в двоичной системе счисления (рис. 5.26). Робокар считывает
и анализирует эти знаки.
Путь движения
Робокар принимает решение
по перемещению на 12 мм
от последнего сигнала
а Направление движения
4-штриховой код
0 10 110 О
Путь движения [~]	[“] 4-штриховой код
в Направление движения»	Ц Ц
0 10 1
Рис. 5.26. Функциональные записи на пути движения
робокара в двоичной системе счисления:
а — пункт остановки; б — код управляющей функции; в — код положения
Метод, основанный на использовании детекторов металла, требу-
ет двух комплектов сенсоров по пять штук, расположенных спереди
и сзади робокара. Три центральных сенсора обеспечивают удержа-
ние робокара по центру траектории движения, остальные — движе-
ние по кривой. Информация наносится на стальную ленту.
120
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
Активное управление с наличием линии управления основано на
индукционном принципе, когда используются шины управления,
через которые проходит слабый электрический ток с высокими часто-
тами и малыми напряжениями. Шины электропровода, смонтирован-
ные под уровнем пола, выполняют функцию транспортных путей,
вдоль которых перемещаются робокары. Провода при подключении
напряжения генерируют переменное магнитное поле, а то, в свою
очередь, — индукционные токи в катушках, расположенных внутри
робокара. Принципиальная конструкция такого робокара показана
на рис. 5.27.
Рис. 5.27. Механизмы безрельсовой тележки с индукционным управлением:
1 — двигатель привода перемещения; 2 — блок управления; 3 — система поворота;
4 — опорный ролик; 5 — колесо; 6 — аккумуляторы; 7 — выпрямитель тока для
зарядки аккумуляторов; 8 — защитный буфер; 9 — антенна с индукционными
катушками
Действие системы управления направлением движения основано
на том, что напряжения в обеих катушках должны быть всегда рав-
ны, а это возможно, если управляющая шина проходит точно между
катушками. Система регулирует разворот колес таким образом, чтобы
обеспечить необходимое положение робокара относительно шины.
В случае управления без использования шины управления могут,
в частности, применяться системы виртуальной навигации. При этом
в процессоре робокара записывается двухмерная карта памяти (на-
пример, цеха) с отмеченными на ней препятствиями. Компьютер
5.2. Подсистема транспортирования изделий
121
рассчитывает траекторию движения между начальным и конечным
пунктами и управляет движением робокара. В процессе перемещения
необходимо обеспечить сравнение расчетного и реального путей дви-
жения и выявление непредвиденных препятствий (люди, предметы).
Поэтому системы виртуальной навигации функционируют вместе
с другими системами, обеспечивающими локализацию положения
тележки и препятствий.
Системы локализации положения тележки на основе расчета
приращений координат основаны на использовании сигналов от им-
пульсных датчиков, установленных на колесах движения и поворо-
та. Получая информацию о количестве импульсов, сгенерированных
каждым колесом, бортовой компьютер может предварительно рас-
считать перемещение тележки относительно осей координат. Одна-
ко такие расчеты, обеспечивающие текущее управление тележкой,
имеют погрешности, которые суммируются по мере перемещения те-
лежки. Кроме того, невозможно выявление непредвиденных пре-
пятствий на пути движения.
При оптической локализации используется видеокамера, устано-
вленная под потолком цеха, и система знаков на верхней поверхно-
сти тележки. Компьютерный анализ изображения позволяет точно
оценить положение тележки и препятствий. Но такая система требует
работы в режиме реального времени, т.е. использования компьютеров
с очень высоким быстродействием.
В случае локализации положения тележки с помощью инфра-
красного или ультразвукового излучения тележка оснащена генерато-
ром соответствующего излучения и приемником отраженных сигналов
(рис. 5.28). Бортовой компьютер оценивает положение робокара отно-
сительно постоянных препятствий, записанных в карте памяти. Могут
быть зарегистрированы также случайные объекты, что обеспечивает
своевременное изменение курса и объезд препятствий. Поскольку
Рис. 5.28. Схема системы ультразвукового ориентирования робокаров
122
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
излучение распространяется по прямой линии, цель движения и ро-
бокар должны находиться на отрезках прямых. Появление препят-
ствия на пути излучения (например, проходящего человека) влечет
за собой автоматическую остановку тележки.
Локализация с помощью лазерного сканера основана на облучении
пространства вокруг робокара в пределах 180° или 360° с разрешением
0,5°. Лазерный дальномер обеспечивает идентификацию положения
тележки относительно неподвижных объектов (информация о которых
записана в памяти компьютера) и выявление непредвиденных пре-
пятствий.
Локализация с помощью гироскопов требует наличия на тележке
бортового гироскопа, обеспечивающего ее ориентацию во время дви-
жения.
Использование описанных систем локализации и выявления пре-
пятствий позволяет корректировать положение тележки и генериро-
вать новую траекторию движения, учитывающую положение новых
объектов в рабочем пространстве и огибающую эти объекты.
Робокары делятся на три группы: с движением только вперед;
с движением вперед-назад; с движением вдоль и поперек. Кинематиче-
ские схемы, используемые в этих группах, приведены на рис. 5.29.
Рис. 5.29. Кинематические схемы, используемые
в безрельсовых тележках с индукционным управлением:
а — движение только вперед; б — движение вперед-назад;
в — движение вдоль и поперек
5.2. Подсистема транспортирования изделий
123
Технические решения, обеспечивающие перемещение робокаров,
не дают гарантий их точного позиционирования в узловых точках, на-
пример около РМ или магазинов. Поэтому в таких местах размещают
специальные электронные передатчики импульсов, которые облег-
чают ориентацию робокара (сравнение действительного положения
и записанного в памяти компьютера с соответствующей коррекцией).
В местах остановки робокара в пол вмонтированы металлические
плиты. При приближении тележки к такому месту включается де-
тектор металла, тележка снижает скорость и при достижении плиты
останавливается.
В системе управления робокаров можно выделить три уровня.
Первый уровень (управления задачами) обеспечивает над-
зор за состоянием вспомогательных устройств, находящихся на тер-
ритории магазина, определение текущего положения тележек, надзор
за состоянием тележек и выбор мест перемещения тележек с палетами
или заготовками.
Второй уровень (управления движением на территории ГПС)
обеспечивает координацию движения тележек, непрерывную связь
между ними и компьютером, передачу команд от компьютера к те-
лежкам.
Третий уровень (процессор внутри тележки) оценивает ее
положение внутри ГПС, преобразует команды системы управления
движением (скоростью и ускорением), контролирует состояние ме-
ханизмов тележки и действие загрузочных устройств.
Связь между центральным компьютером управления и робока-
ром может быть непрерывной и импульсной. Непрерывную связь
можно обеспечить с помощью радиоволн, инфракрасного излучения
либо шины связи, служащей одновременно для управления работой
робокара. Импульсная связь возможна только в специально предна-
значенных для этого пунктах и осуществляется на основе индукци-
онных или оптических методов. В первом случае используют шину,
расположенную под полом в определенных местах вдоль пути пере-
мещения тележки. Второй способ требует остановки тележки в местах,
в которых информация передается с помощью источников инфра-
красного излучения.
В самодвижущихся тележках должна быть предусмотрена систе-
ма безопасности движения. Такие системы делятся на три разновид-
ности: тележка — тележка, тележка — объект, тележка — человек.
Система тележка — тележка выдерживает минимально допус-
тимые расстояния между тележками во избежание столкновения.
Для этого используются фотоэлементы и элементы с высокой отра-
124
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
жающеи способностыд, устанавливаемые на поверхностях тележек,
а также генераторы светового или ультрафиолетового излучения.
Система тележка — объект предохраняет от столкновения с объек-
том, блокирующим трассу движения. Чаще всего для этого использу-
ются резиновые буфера и конечные выключатели, выступающие за
пределы тележки (см. рис. 5.27).
Система тележка — человек спроектирована таким образом,
чтобы предупреждать и оберегать обслуживающий персонал. Для
этого используются световые и звуковые сигналы, информирующие
о трассе автоматического движения тележки. Кроме того, тележки
имеют два легкодоступных выключателя движения и защитный эк-
ран, при контакте с которым проис-
ходит немедленная остановка.
По сравнению с традиционными
средствами автоматизированного пе-
ремещения робокары обеспечивают
простоту организации, расширения,
модернизации трассы перемещения,
что влияет на гибкость и надежность
работы ГПС в целом, особенно при
использовании робокаров без шины
управления. В ГПС, обслуживаемых
с помощью робокаров, легче обеспе-
чить включение, выключение и за-
мену отдельных РМ при обработке
того или иного изделия. К недостат-
кам же таких систем можно отнести
увеличение производственной пло-
щади, связанное с прокладкой про-
ездных путей и установкой дополни-
тельного оборудования.
Краны-штабелеры. Высота цен-
тральных складов (магазинов) ГПС
стеллажного типа может достигать
многих метров. Для обслуживания
таких высоких стеллажей необходи-
мы краны-штабелеры, которые за-
бирают палеты со входа в магазин
и перемещают их в соответствующую
ячейку. Загрузку и выгрузку осуще-
ствляют с помощью вил-клещей.
Рис. 5.30. Напольный колесный
кран-штабелер:
1 — стойка; 2 — кабина; 3 — транс-
портируемый груз; 4 — привод
5.2. Подсистема транспортирования изделий
125
По способу обслуживания штабелеры можно разделить на одно-
коридорные, действующие вдоль одной стены или одного коридора
склада, и многокоридорные, одностороннего и двустороннего дей-
ствия.
Многокоридорные штабелеры могут быть напольными или под-
весными. Напольные штабелеры используются в магазинах высо-
кого складирования либо в магазинах со штабелями не выше 7 м.
Переносимая масса не должна превышать 2000 кг. В таких штабеле-
рах тележка с установленной на ней высокой мачтой перемещается
по нижнему рельсу, а наверху смонтирована вторая тележка, опираю-
щаяся на верхний рельс, что придает крану высокую устойчивость.
На плите нижней тележки установлена лебедка, обеспечивающая
вертикальное перемещение платформы вдоль мачты. На платформе
размещен короткий роликовый транспортер, служащий для мани-
пулирования транспортными палетами (рис. 5.30).
В подвесных штабелерах механизм подвешен на центральном
одиночном рельсе, размещенном над стеллажами вдоль оси склад-
ского коридора (рис. 5.31). Рельсы могут быть закреплены также на
стеллажах. В этом случае рама штабелера опирается на колеса, пере-
мещающиеся по этим рельсам.
Технические характеристики некоторых штабелеров приведены
в табл. 5.2.
Рис. 5.31. Подвесной штабелер палет фирмы «Techmatrans»:
1 — рельс; 2 — полки склада; 3 — стойка; 4 — кабина оператора; 5 — привод
126
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
Таблица 5.2
Технические характеристики штабелеров палет фирмы «Techmatrans»
Параметры	Значение по каталогу		
Грузоподъемность, кг	500	1000	1500
Скорость, м/мин:			
перемещения штаблера	10,8...73,2	0...	120
при подъеме	2,7...16	5..	.20
при выдвижении клещей	5...10	5..	.20
Высота нижнего уровня складирования, мм	575	755	
Высота верхнего уровня складирования, мм	10 000	22 300	
Размеры палет, мм	800x1200		
Расстояние между стеллажа- ми, мм	1400...1500	1 500	
Общая длина, мм	3 760	3-960	5 500
Масса, кг	4 360	4 800	16 500
Мощность привода, кВт	12,4		13
Управление	Ручное с возможностью автоматизации		
Устройства безопасности	Фиксаторы тележки и противовеса, огра- ничители		
5.2.5. Выбор областей использования транспортных
средств
На выбор средств транспортирования изделий в ГПС влияют сле-
дующие факторы:
□	пространственная конфигурация рабочих мест и магазинов;
□	объем транспортных задач, обусловленный интенсивностью свя-
зей между РМ и магазинами и частотой их смены;
□	технические требования устройств, работающих в контакте
с транспортными средствами;
□	принципы управления перемещением изделий в ГПС;
□	возможность использования производственных площадей и ар-
хитектурно-строительные ограничения (например, высота цеха);
□	связи с цеховой сетью снабжения изделиями и материалами;
□	требования, обусловленные особенностями безлюдной работы
ГПС;
□	экономичность (капиталовложения и стоимость эксплуатации).
5.2. Подсистема транспортирования изделий
127
Характеристики транспортных средств ГПС и их балльная оцен-
ка приведены в табл. 5.3.
Таблица 5.3
Характеристики и балльная оценка транспортных средств ГПС
Критерий оценки	Транспортное средство								
	Рольганг	Транспортер			Рельсовая тележка	Автокар	Робокар	Кран с ЧПУ	Кран-штабелер
		ленточный	цепной	подвесной					
Стоимость	4	4	4	3	3	5	2	2	3
Затраты на эксплуата- цию	4	4	4	4	4	3	5	4	4
Возможность закупки	4	4	4	5	5	3	5	4	4
Занимаемая площадь	3	3	3	5	3	4	4	5	4
Возможность достройки	3	2	4	4	2	5	5	4	3
Возможность встраива- ния в существующие структуры	3	3	3	4	1	5	5	3	3
Транспортирование в произвольном направ- лении (по радиусу)	3	2	3	4	0	5	5	5	4
Транспортирование на палетах	4	2	4	3	5	5	5	3	5
Грузоподъемность	3	3	4	3	5	4	4	4	4
Автоматическое управ- ление	4	4	4	4	5	0	5	5	4
Простота изменения функции	2	3	3	4	1	4	5	4	2
Возможность соедине- ния: со складской системой	4	4	4	4	0	0	0	0	4
с манипуляционной системой	0	0	0	0	3	0	3	4	3
Средний балл	3,2	2,9	3,4	3,6	3,1	3,3	4,4	3,9	3,9
Примечание. 5 — очень хорошо; 4 — хорошо; 3 — удовлетворительно; 2 — весьма
посредственно; 1 — неудовлетворительно; 0 — невозможно.
128
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
При выборе транспортных средств можно дополнительно восполь-
зоваться следующими рекомендациями:
□	в ГПС со сложной структурой и значительным количеством РМ
преимущество имеют тележки с индукционным управлением, реже
используются рельсовые тележки, портальные роботы-манипулято-
ры и устройства для смены палет;
□	в автоматических линиях применяются преимущественно транс-
портеры, с которыми взаимодействуют портальные роботы или краны;
□	в ГПМ для обработки деталей призматической формы часто ис-
пользуются рельсовые тележки.
Подсистема складирования изделий.
5.3.
Магазины
5.3.1. Классификация магазинов
и подсистем складирования
Развитие ГАП повысило уровень требований к складированию,
которое является очень важным элементом подсистемы обеспечения
ГПС заготовками. Склады (магазины) обрабатываемых деталей в под-
системе обеспечения заготовками служат:
□	для создания межоперационного запаса обрабатываемых дета-
лей, необходимого для безлюдной работы системы в течение требуе-
мого времени;
□	связи с внешними транспортными средствами, используемы-
ми на предприятии;
□	выравнивания времени работы отдельных РМ;
□	изменения пространственного расположения обрабатываемых
деталей, обеспечивающего удобство манипулирования на РМ.
На территории склада выполняются и дополнительные действия
(резка прутков на штучные заготовки, измерения, контроль качества,
упаковка готовых изделий). С организационно-технической точки
зрения склад должен быть соединен с транспортными устройствами,
располагающимися перед ним и после него, а это требует автомати-
зации всех складских функций.
Классификация магазинов и подсистем складирования, исполь-
зуемых в ГПС, представлена на рис. 5.32. В качеств основных крите-
риев оценки используются:
□	область действия (магазины центральные и периферийные);
5.3. Подсистема складирования изделий. Магазины
129
Рис. 5.32. Классификация магазинов и подсистем складирования ГПС
□	расположение магазина относительно ГПС (наружное и внут-
реннее);
□	возможность перемещения предметов в границах магазина (ста-
тичные и динамичные).
Таким образом, подсистемы складирования могут быть централь-
ными и периферийными, среди которых можно выделить магазины,
находящиеся непосредственно на РМ, и буферные. Первая группа
обеспечивает безлюдную работу ГПМ, вторая служит для выравни-
вания времени работы различных РМ.
Магазины могут быть статичными (неподвижными) или дина-
мичными (подвижными). В первом случае изделия во время склади-
рования остаются неподвижными, во втором — могут перемещаться.
130	5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
С одной стороны, существенным недостатком центрального мага-
зина является необходимость значительного количества транспор-
тирующих движений с целью исключения простоев оборудования.
С другой стороны, периферийные магазины не всегда позволяют соз-
дать достаточный запас изделий для безлюдной работы ГПС в течение
длительного времени. Поэтому на практике в основном используется
смешанная система складирования.
Выбор типа и вместимости магазина зависит от многих факторов
(количество РМ, штучное время обработки, форма и размеры обраба-
тываемых деталей, требуемое время безлюдной работы ГПС и т.д.).
5.3.2» Центральные магазины
Производственные системы с центральным магазином обеспечи-
вают связь между РМ косвенным образом, через магазин, что требует
значительного количества транспортирующих движений. В таких
системах процесс транспортирования в значительной степени, а скла-
дирование полностью оторваны от РМ. Одиночные крупногабаритные
детали либо их партия складируются на палетах, которые с помощью
транспортирующих устройств доставляются к РМ, а после обработ-
ки — обратно в магазин. Поэтому прямые связи между различными
РМ отсутствуют. Использование центрального магазина значитель-
но упрощает прохождение обрабатываемых элементов через ГПС,
однако усложняет транспортные задачи.
Центральный магазин выполняет целый ряд функций:
□	хранение заготовок в ожидании обработки или отправки после
обработки на сборку;
□	хранение межоперационного запаса;
□	хранение компенсационного (аварийного) запаса, необходимо-
го в случае внезапных организационных простоев того или иного РМ
(в том числе аварии);
□	обеспечение выравнивания производительности и времени ра-
боты отдельных РМ.
К вспомогательным действиям относятся:
□	работа в качестве магазина конкретных РМ (отдельные полки
стеллажа предназначены для складирования изделий, обрабатывае-
мых на том или ином РМ);
□	функционирование в качестве склада полуфабрикатов;
□	обеспечение комплектации деталь — палета;
□	хранение вспомогательных устройств для сборки и контроля
машинокомплектов;
5.3. Подсистема складирования изделий. Магазины
131
□	хранение пустых палет и контейнеров, используемых в ГПС;
□	хранение запасных частей и вспомогательных материалов.
Центральные магазины могут располагаться внутри ГПС (внут-
ренние магазины), а также с краю либо снаружи ГПС (внешние мага-
зины). В последнем случае следует выделить систему транспортирова-
ния изделий от магазина до РМ. Различные комбинации внутренних
и внешних магазинов с РМ показаны на рис. 5.33.
Рис. 5.33. Производственные системы с центральным складом
- рабочее место
Подвижный центральный магазин — это чаще всего подвесной
или напольный конвейер, на котором размещаются изделия перед
обработкой и после нее. Конвейер в этом случае объединяет функции
транспортирования и складирования.
Неподвижный центральный магазин — это стеллаж, обслужи-
ваемый краном-штабелером. Стеллаж может иметь высоту до 20 м
и более (стеллаж высокого складирования). В последнем случае вме-
стимость магазина значительно возрастает, что экономически выгодно.
Сравнительный анализ работы магазинов высокого и обычного склади-
рования на 50 тыс. мест показывает, что в первом случае эффектив-
ность выше на 40 % [2] благодаря лучшему использованию рабочего
пространства и возможности непосредственного доступа к любому из
хранимых изделий.
132
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
Схема магазина высокого складирования с местами входа и выхода
и внутренним пространством показана на рис. 5.34. Высокая часть —
непосредственно складское пространство со стеллажами и штабеле-
рами, в низкой части находится оборудование для загрузки-выгрузки
на транспортную систему и перемещения от высокой части к низкой.
Рис. 5.34. Схема склада-стеллажа высокого складирования:
1 — штабели склада; 2 — кран-штабелер; 3 — роликовые транспортеры; 4 — палеты
В магазинах-стеллажах высокого складирования работают на-
польные и подвесные штабелеры. Для лучшего использования склад-
ского пространства можно применять стеллажи с подвижными пере-
мещающимися участками (рис. 5.35). Перемещение участков может
выполняться вручную или механически.
а	б
Рис. 5.35. Схемы складов-стеллажей с постоянными (а) и изменяемыми (б)
гнездами, обслуживаемых колесными кранами-штабелерами
Особенности проектирования подсистемы складирования обуслов-
лены пространственной конфигурацией ГПС. В ходе проектирования
обеспечивается выбор типа и количества вспомогательных устройств
5.3. Подсистема складирования изделий. Магазины
133
(палет и контейнеров), типа и вместимости магазинов, определяются
условия перемещения деталей в загрузочных устройствах. Правильный
выбор конструктивного варианта требует учета возможности измене-
ний производственных задач, а также взаимного влияния подсистем
обработки, транспортирования и складирования.
Вместимость производственного (Мп) и компенсационного (Мк)
магазинов можно рассчитать так:
Mn(MK) = n2V,
где п — количество РМ, находящихся в ГПС; N — количество транс-
портируемых партий деталей (палет, контейнеров), приходящихся
на одно РМ.
Рекомендуется принимать значение N == 6,9...8,8 для одной или
двух транспортируемых партий и N = 11,6...20,5 для более чем двух
транспортируемых партий. Средний коэффициент загрузки одного
РМ принимается равным 0,8.
Размеры центрального магазина-стеллажа, можно определить сле-
дующим образом. Высота его [3]
Яст = ГЙдол — Н -^min »
где г — количество рядов полок на стеллаже; Нпол — высота полки;
Н — высота участка цеха, отведенного под ГПС; Hmin — минималь-
ное расстояние между стеллажом и потолком цеха.
Длина секции стеллажа
= ^сг/^с — ^9
где LCT — общая длина стеллажа: LCT = ПсЬс +1 < £РМ; ис — количест-
во секций в стеллаже: п с = М/М с = М/(rs); М — полная вместимость
магазина-стеллажа; Мс — вместимость одной секции; г — количест-
во рядов полок в секции стеллажа; s — количество колонн полок
в секции; Lc — длина секции; I — длина вспомогательного участка
стеллажа; £РМ — суммарная длина рабочих мест, размещенных во-
круг стеллажа (не используемого для складирования); L — длина
участка цеха, отведенного под ГПС.
На длину стеллажа влияет также расположение РМ относительно
него. Это влияние оценивается с помощью коэффициента загрузки Д
учитывающего положение магазина в ГПС:
f - ^с/^РМ*
134
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
Рекомендуемые значения коэффициента f приведены в табл. 5.4.
Таблица 5А
Значения коэффициента f [3]
Значение коэффициента f в зависимости от количества секций в стеллаже
1	2	1	2	1	2	1	2
0,5	1,0	1,0	2,0	0,5...1,0	1,0...2,0	0,75... 1,0	<1,5
533. Магазины на рабочих местах для обработки
деталей типа тел вращения
Магазины данного типа характеризуются высоким уровнем спе-
циализации и разнородностью технических решений [4]. Их конст-
рукция, как правило, согласовывается с возможностями применяе-
мых средств манипулирования.
Требования к магазинам для деталей типа тел вращения касаются
как подсистемы в целом, так и тех или иных ее составляющих. Это
вызвано в основном различиями в конструкциях обрабатываемых
деталей. Выполненный анализ показывает, что независимо от фор-
мы, размеров и массы 90 % общего количества деталей типа тел вра-
щения при механической обработке пригодны для автоматического
складирования и манипулирования.
Основное требование к подсистеме складирования — максималь-
ная гибкость использования, обеспечиваемая простой переналадкой
или переоснащением подсистемы и возможностью расширения сфе-
ры ее действия. Магазины на рабочих местах могут быть частью
транспортно-складской подсистемы ГПС либо функционировать
независимо от нее. В первом случае магазин полностью механизиро-
ван и автоматизирован, во втором — требует ручного обслуживания
при получении заготовок и отправке обработанных деталей. Выбор
конкретного варианта магазина зависит от технического и организа-
ционного уровня заводской транспортной системы, степени автома-
тизации цеха и экономических условий.
5.3. Подсистема складирования изделий. Магазины	135
С точки зрения капиталовложений наиболее дешевым является
неподвижный магазин, не содержащий подвижных функциональ-
ных механизмов и не имеющий электропривода. Такой магазин ха-
рактеризуется также высокой надежностью работы.
С точки зрения эксплуатационных затрат важную роль играют
гибкость магазина, т.е. простота и легкость его переоснащения для
складирования других деталей; минимизация количества специаль-
ных элементов и устройств, взаимодействующих с теми или иными
деталями; легкодоступность к складируемым объектам при макси-
мальном использовании производственных площадей.
Классификация магазинов, применяемых на РМ, приведена на
рис. 5.32. Из этой схемы следует, что для токарной обработки деталей
могут использоваться (как часть общецеховой транспортно-склад-
ской системы) многопредметные и выдвижные палеты и магазины
палет циклического действия, а в случае автономных магазинов,
требующих ручной работы, — роликовые и ленточные конвейеры,
многопозиционные дисковые магазины и магазины проката.
Неподвижный магазин типа многопредметной палеты в зависи-
мости от условий, приведенных в п. 5.2.2, может быть выполнен на
основе палет, складированных поодиночке; контейнеров палет (вы-
движные палеты); палет, размещенных вертикальными штабелями;
палет, размещенных в приспособлениях циклического действия. Во
всех случаях перемещение одиночных палет или контейнеров с па-
летами осуществляется транспортными средствами, используемыми
в цехе, и не требует обязательной ручной загрузки-выгрузки деталей
с палет непосредственно на РМ.
Использование магазина с одиночной многопредметной палетой,
в которой каждая заготовка находится на определенном месте, имеет
свои достоинства и недостатки. С одной стороны, это простота конст-
рукции, поскольку палета в ходе работы ГПС неподвижна, с дру-
гой — необходимость для выполнения манипуляций относительно
дорогого портального промышленного робота, перемещающегося
вдоль трех осей координат. На рис. 5.36 показана схема токарной
» производственной ячейки, обслуживаемой портальным промышлен-
ным роботом с магазином рассматриваемого типа.
Если запас заготовок на одной или двух палетах не обеспечивает
безлюдной работы ячейки в течение требуемого времени, необходимо
увеличить количество палет, размещая их штабелями, либо исполь-
зовать выдвижные палеты. В первом случае возникает потребность
в специальном устройстве для перемещения палет со штабеля с заго-
товками на штабель с обработанными деталями (по мере освобождения
136
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
Рис. 5.36. Схема токарной производственной ячейки,
обслуживаемой портальным промышленным роботом [2]:
1 — компьютер; 2 — емкость для технического брака; 3, 6 — то-
карные станки с ЧПУ; 4 — промышленный робот; 5 — буферный
накопитель; 7 — измерительная система; 8 — комплект станоч-
ных палет
палет). Второй случай значительно проще» поскольку выдвижение
палет выполняет промышленный робот, действующий на данном РМ.
Устройство циклического действия используется тогда, когда РМ
обслуживается промышленным роботом с одной степенью свободы
(линейным). Устройство служит для перемещения палет, являю-
щихся магазином обрабатываемых деталей, в такт с движениями ро-
бота, чтобы по мере обработки деталей из одного ряда обеспечить
переход к обработке деталей из другого ряда (рис. 5.37). В результате
такого соединения робота с циклическим устройством обеспечивает-
ся обработка деталей, расположенных в узлах плоской горизонталь-
ной поверхности (в рядах и колоннах).
5.3. Подсистема складирования изделий. Магазины
137
Рис. 5.37. Схема использования циклического подающего устройства:
1 — детали на палете, уложенные рядами; 2 — палета; 3 — тележка с механической
рукой; 4 — портальный робот, перемещающийся по одной оси; 5 — токарный станок
Простота и относительно небольшие капиталовложения способ-
ствуют использованию установленных в определенном месте ГПС
вращающихся магазинов вместе с дополнительными устройствами
для загрузки-выгрузки деталей. Такие устройства требуют постоян-
ства положения загружаемого изделия, что и обеспечивает повора-
чивающийся с определенным тактом магазин.
5.3.4. Магазины на рабочих местах для обработки
корпусных деталей
Магазины, используемые в ГПМ для обработки корпусов, явля-
ются магазинами палет с установленными на них крепежными при-
способлениями. Магазины могут быть подвижными (рис. 5.38) и не-
подвижными (рис. 5.39), соответственно с движением деталей или
его отсутствием. Независимо от степени подвижности магазины бы-
вают линейными и замкнутыми (круглыми и овальными). Линейные
неподвижные магазины используются как накопители (буферные);
если же требуется большая вместимость, то лучше применять замк-
нутые магазины. Типовым решением магазина ГПМ для обработки
корпусов является стационарный магазин с комплектом палет, по-
ворачивающихся вокруг оси магазина, и толкателем (см. рис. 5.38, а)
либо линейный магазин, обслуживаемый тележкой с устройством
для смены палет.
В сборочном производстве и при обработке деталей призматиче-
ской формы можно использовать однотипные палеты или магазины
на целом ряде следующих друг за другом РМ.
138
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
Рис. 5.38. Подвижные магазины палет,
используемые в ГПМ для обработки корпусов:
а — круговой; б — овальный; в — линейный
Рис. 5.39. Неподвижные магазины палет,
используемые в ГПМ для обработки корпусов:
а — круговой; б — линейный; 1 — палета; 2 — поворотное устройство
для смены палет; 3 — тележка с устройством для смены палет
5.4. Подсистема манипулирования
139
5.4/
Подсистема манипулирования
5.4.1. Устройства для манипулирования деталями
типа тел врашения
Выбор способа манипулирования деталями, а часто и способа их
транспортирования с учетом последующих манипуляций, зависит
прежде всего от количества станков в ГПС, количества деталей в пар-
тии и времени обработки, приходящегося на одно закрепление детали.
Конструктивное решение системы манипуляции обусловлено в ос-
новном типом манипулируемых объектов. Таким объектом в ГПС
для обработки деталей типа тел вращения могут быть как многопред-
метные палеты, поступающие из магазина, так и одиночные детали,
устанавливаемые на станках. В ГПС для обработки тел вращения
функции манипулирования обеспечивают специализированный ро-
бот, выполненный как одно целое со станком, портальный робот или
универсальный отдельно стоящий робот. Специализированный робот
обслуживает станок спереди (рис. 5.40, а). Универсальный робот
также подает детали в зону обработки, находясь перед станком
(рис. 5.40, б). Такое решение используется при обработке небольших
деталей (поскольку затруднен доступ в зону обработки). Портальные
роботы (рис. 5.40, в, г) расположены над станком и подают заготовки
сверху, что обеспечивает легкий доступ в зону обработки. Именно
это, а также более рациональное использование площади цеха делает
применение портальных роботов наиболее перспективным. К их
достоинствам можно отнести также высокую грузоподъемность
(до 350...500 кг); значительную длину перемещения по горизонтали
(до 10 м для одноосных роботов и еще большую для двухосных); пе-
ремещение по вертикали до 2 м; скорость линейных перемещений до
1...2 м/с и скорость вращения до 60...120 град/с; ускорения до 0,5#
для осей с программным управлением и до 1,5# для осей без такого
управления; точность позиционирования от ± 0,025 до ± 0,25 мм.
Портальные роботы и манипуляторы в зависимости от конструк-
ции и рабочего пространства могут быть линейными (одноосными)
и поверхностными (двухосными). В первом случае (рис. 5.40, в) несу-
щая конструкция имеет форму портала, а рука может перемещаться
в двух направлениях — по горизонтали и по вертикали. Во втором
случае (рис.5.40, г) несущая конструкция представляет собой кар-
кас на основе двух порталов, а рука перемещается относительно трех
осей. Рабочее пространство можно расширить, используя дополни-
тельные оси вращения механической руки.
140
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
Рис. 5.40. Основные типы манипуляционных устройств,
используемые в ГПМ [5]:
а — робот-манипулятор, установленный на станке; б — универсальный отдельно
стоящий робот; в — портальный одноосный манипулятор; г — портальный двух-
осный манипулятор
Линейные роботы и манипуляторы используются главным обра*
зом в ГПМ. Они могут обслуживать любые одноуровневые (одно-
и многорядные) магазины, не имеющие возможностей перемеще-
ния, а также одноуровневые дисковые поворотные магазины. Пере-
мещение очередной заготовки непосредственно под механическую
руку обеспечивает магазин (см. рис. 5.37). При необходимости об-
служивания многоуровневых магазинов (штабели палет) манипу-
ляторы действуют совместно с устройствами для перекладывания
палет (см. рис. 5.40, в).
Портальные манипуляторы ГПМ часто обеспечивают снабжение
не только заготовками, но и инструментами. В этом случае на одной
раме и на тех же направляющих действуют две независимые тележ-
ки с механическими руками.
5.5. Кодирование деталей и заготовок	141
Механические руки (схваты) являются важной частью манипу-
лятора. Они могут быть одиночными и сдвоенными, причем в по-
следнем случае имеют последовательное, параллельное или угловое
расположение. Сдвоенные схваты характеризуются большой скоро-
стью действия. Форма и размеры схватов должны обеспечивать ма-
нипулирование деталями, имеющими разные диапазоны размеров.
Если различия в размерах очень велики, можно применять комплек-
ты сменных схватов, хотя такое решение используется очень редко.
5.4.2. Устройства для манипулирования корпусными
деталями
В ГПМ и ГПС для обработки корпусных деталей последние обыч-
но установлены на палетах, и именно палеты являются предметами
манипулирования, которое осуществляется в основном с помощью
устройств для смены палет, перемещающих предметы с транспорт-
ной подсистемы (тележки) на рабочую позицию (стол станка). Такие
устройства могут быть поворотными (см. рис. 5.39, а) или прямоли-
нейного действия (см. рис. 5.39, б), характеризуются простотой взаи-
модействия с магазином палет и не требуют выполнения каких-либо
дополнительных функциональных движений. На тяжелых станках
смена палет может осуществляться с помощью цепных передач.
Поворотные устройства используются в ГПС с пассивными магази-
нами. Устройство располагается в центре магазина, причем позиция
загрузки-выгрузки отсутствует. Иногда используются схемы поворот-
ное устройство — линейный неподвижный магазин палет; при этом
устройство для смены палет имеет дополнительное движение вдоль
магазина. Устройства прямолинейного действия используются вместе
с круговыми или овальными магазинами с перемещением палет.
Для манипулирования палетами могут применяться также робо-
ты-манипуляторы.
Кодирование деталей и заготовок
5.5.1. Штриховые коды
Правильное перемещение деталей и заготовок в ПС обеспечивает
в первую очередь их надежная идентификация, т.е. считывание, пе-
реработка и передача информации без перерывов в работе системы.
142
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
Одна из наиболее распространенных систем идентификации осно-
вана на использовании системы штриховых кодов. Цифры в двоичном
штриховом коде записываются как комбинация темных штрихов (1)
и светлых промежутков (0). Наряду с основными знаками использу-
ются вспомогательные (разделяющие и ограничивающие запись).
Принципы записи обычно нормализованы на уровне предприятия
либо государства. В табл. 5.5 приведены примеры штриховых кодов
согласно норме ISO.
Примеры штриховых кодов
Таблица 5,5
Цифра, знак
Цифровая комбинация
штрихов
0001101
0011001
0010011
0111101
0100011
0110001
0101111
0111011
0110111
Графическая
интерпретация
5.5. Кодирование деталей и заготовок
143
Цифра, знак
Цифровая комбинация
штрихов
0001011
Окончание табл. 5.5
Графическая
интерпретация
Знак разделения
Ограничивающий знак
01010
101
9
Группа штрихов, имеющая смысловую завершенность, разделя-
ется специальными (разделительными) символами, что позволяет
считывать код в любом направлении. Для удобства визуального ана-
лиза кода символы разделяются короткими штрихами, расположен-
ными сверху кода.
Система считывания и декодирования штрихового кода включает
сканирующую лазерную головку, формирующую качающийся узкий
световой пучок; этикетку с кодом, отражающим или поглощающим
этот световой пучок; оптико-электронный преобразователь, форми-
рующий аналоговый электрический сигнал; системный контроллер.
Этикетка с кодом размещается (наклеивается) на палете либо непо-
средственно на детали (в случае обработки без палет) и считывается
сканером. Сканирующая головка снабжена источником излучения
волны определенной длины, световой поток которого передается по
волоконно-оптическим кабелям или через систему линз. Для повыше-
ния помехозащищенности системы применяются оптические фильт-
ры. Системный контроллер выполняет функции дешифрации кода,
корреляции с эталоном, обработки данных и передачи информации. -
Информация пересылается в главный компьютер, который опреде-
ляет дальнейший путь перемещения детали.
5.5.2. Электромагнитные коды
При использовании палет и в случае складирования обрабатывае-
мых деталей и заготовок универсальным является электромагнит-
ное кодирование. В этом случае носители информации имеют вид
резьбовых втулок или прямоугольных вставок небольших размеров.
Они снабжены элементами, обеспечивающими запись и считывание
144
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
информации с помощью специальной головки (рис. 5.41). Объем за-
писываемой информации может колебаться в пределах 16... 1024 бит.
Считывающее устройство соединено с системой управления станка.
Рис. 5.41. Схема устройства для электромагнитной записи
и считывания информации фирмы «Balluff»:
1 — палета; 2 — носитель информации^ 3 — головка для записи и считывания;
4 — устройство контроля правильности считывания сигналов; 5 — компьютер
или система управления
Системы электромагнитного кодирования информации обеспечи-
вают ее легкую и быструю замену и надежную передачу, использова-
ние различных принципов кодирования, легко приспосабливаются
к разным системам управления и компьютерным устройствам.
5.6.
Зажимные приспособления
5.6.1.	Требования к приспособлениям
К зажимным приспособлениям для станков, работающих в усло-
виях ГПС, предъявляется ряд требований, обусловленных особенно-
стями их работы. Эти приспособления должны:
□	иметь повышенную точность и жесткость;
□	обеспечивать минимальные погрешности при базировании и за-
креплении заготовок;
□	обеспечивать строго определенное положение заготовки отно-
сительно начала координат станка (нулевой точки), поскольку пере-
5.6. Зажимные приспособления
145
мещение заготовки и инструмента на станках с ЧПУ осуществляется
в системе заранее заданных координат;
□	иметь надежное базирование на станке, обеспечивающее их
строго определенное положение (в этом случае опоры приспособле-
ния автоматически ориентированы относительно нулевой точки);
□	обеспечивать возможность свободного подвода инструмента ко
всем обрабатываемым поверхностям с учетом обработки заготовки
с четырех-пяти сторон при одной ее установке.
Зажим-разжим заготовок должен быть предельно быстрым и не
зависящим от других движений, выполняемых станком. Это позво-
ляет обеспечить смену заготовок во время работы станка.
Для сокращения подготовительно-заключительного времени при-
способления должны легко переналаживаться. Этого достигают за
счет универсальности установочных и зажимных элементов.
5.6.2.	Зажимные приспособления к станкам
токарной группы
Для установки деталей типа втулок, стаканов, фланцев, корот-
ких валиков, дисков на станках с ЧПУ токарной группы наиболее
широко используются трехкулачковые патроны. Детали закрепля-
ются в кулачках с помощью рычажных или клиновых механизмов
(рис. 5.42), соединенных с электромеханическим, гидравлическим
или пневматическим приводом.
В патронах для высокоскоростной обработки предусмотрена ком-
пенсация действия центробежных сил (рис. 5.43). Противовесы 3
расходятся от центра вращающегося патрона одновременно с кулач-
ками 1. При этом рычаги 2 перемещают ползуны патрона в противо-
положном направлении, препятствуя расхождению кулачков.
Патроны комплектуют закаленными и незакаленными кулачка-
ми. Закаленные кулачки используются при закреплении необрабо-
танных заготовок на черновых операциях. На рабочих поверхностях
кулачков выполнены продольные и поперечные канавки, форми-
рующие сетку зубчиков. Для зажима прутков ставят кулачки прямой
формы; для зажима штамповок или отливок в кулачках предусмат-
ривают прямые или обратные уклоны (но не более 5°). В незакален-
ных, расточенных в ходе настройки кулачках закрепляют заготовки
по обработанным поверхностям.
Заготовки деталей типа валов обрабатываются преимущественно
в центрах; передача крутящего момента осуществляется поводковы-
ми патронами. Передний центр делают плавающим, т.е. имеющим
146
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
Рис. 5.42. Схемы электромеханического привода (а) и патронов для станков
с ЧПУ с рычажным (0) и клиновым (в) зажимом:
1 — электродвигатель; 2 — редуктор; 3 — муфта; 4 — пружина для регулирова-
ния передаваемого крутящего момента; 5 — винт; 6 — гайка; 7 — тяга; 8 — рычаг;
9 — кулачок патрона
возможность смещения вдоль оси под давлением заднего центра
станка. Поджим заднего центра механизирован с помощью гидрав-
лических или электромеханических устройств, встроенных в зад-
нюю бабку. Заготовка смещается в сторону шпинделя до тех пор,
пока своим левым торцом не упрется в торец патрона.
Широкое распространение в токарных станках с ЧПУ получили
поводковые патроны с торцовыми ножами (рис. 5.44), врезающимися
в заготовку при нажатии задним центром. В этом случае все наруж-
ные поверхности вала открыты для обработки, а плавающие ножи
5.6. Зажимные приспособления
147
а	б
Рис. 5.44. Внешний вид (а) и схемы действия (б) поводковых патронов
с торцовыми ножами
148	5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
обеспечивают надежное закрепление заготовки и передачу значи-
тельного крутящего момента даже при отклонении торца заготовки
от перпендикулярного положения относительно оси. Патроны дан-
ной конструкции могут применяться для установки не только валов,
но и втулок. В последнем случае плавающий центр выполняется
в виде усеченного конуса.
5.6.3.	Приспособления к станкам
сверлильно-фрезерно-расточной группы
Обработка деталей на станках с ЧПУ производится в различных
организационно-технических условиях — в единичном и мелкосе-
рийном, а также в серийном и крупносерийном производстве. Учи-
тывая, что стоимость станко-часа работы станка с ЧПУ в несколько
раз выше, чем универсального станка, крайне важно сократить под-
готовительно-заключительное и вспомогательное время. Это дости-
гается за счет механизации приспособлений для установки деталей.
Для больших партий деталей (крупносерийное производство) целе-
сообразно использовать специальные приспособления для каждой
конкретной детали или группы деталей. Однако при малом объеме
партии значительно увеличиваются затраты на проектирование и из-
готовление приспособлений, отнесенные к одной детали, и ухудша-
ются экономические показатели. В этом случае выгоднее использовать
быстро собираемые переналаживаемые приспособления из унифи-
цированных элементов.
Переналаживаемые приспособления делятся на два вида. При-
способления первого вида состоят из унифицированной базовой час-
ти и специальной сменной наладки; приспособления второго вида
включают унифицированную базовую часть, снабженную элемента-
ми, которые можно переналадить при изменении диапазона разме-
ров обрабатываемых деталей одинаковых класса, группы и вида.
При компоновке приспособления можно использовать различ-
ные способы установки детали:
1)	деталь своими технологическими базами соприкасается с уста-
новочными базами, которыми являются готовые детали и сборочные
единицы приспособления;
2)	деталь своими технологическими базами соприкасается с устано-
вочными базами, выполненными на специальной сменной наладке;
3)	деталь соприкасается с установочными базами, выполненными
на сменной наладке, которая закреплена на детали или сборочной
единице универсального комплекта (комбинированный способ);
5.6. Зажимные приспособления
149
4)	деталь контактирует одновременно с установочными сбороч-
ными единицами и деталями и со специальными сменными наладка-
ми (смешанный способ);
5)	деталь своими технологическими базами соприкасается с регу-
лируемыми элементами, размещенными в установочных деталях или
сменных наладках.
Тот или иной способ используется в зависимости от необходимой
точности установки й объема партии деталей.
В настоящее время известно несколько систем быстроперенала-
живаемых приспособлений для станков с ЧПУ: универсально-сборные
приспособления (УСП), сборно-разборные приспособления (СРП), уни-
версально-сборная переналаживаемая оснастка (УСПО) и др. В ком-
плект таких систем входит несколько групп деталей и сборочных
единиц.
Базовые детали и сборочные единицы используются в качестве
основания при монтаже приспособления. К ним относятся меха-
низированные и немеханизированные прямоугольные, квадратные
и круглые плиты, губки, угольники и опоры (рис. 5.45), делительные
стойки, гидрофицированные тянущие и тянуще-толкающие блоки
с различными усилиями на штоке.
Рис. 5.45. Некоторые типы базовых и корпусных элементов системы УСПО:
а, б — плиты; в — угольник; г, д — опоры
150
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
Корпусные (опорные) детали и сборочные единицы являются ос-
новой приспособления. На них монтируются установочные и зажим-
ные элементы. К корпусным деталям относятся опоры и подкладки
различных типов, установочные угольники, кондукторные планки,
державки, призмы и другие детали.
Установочные детали и сборочные единицы служат для базирова-
ния заготовки в приспособлении и базирования приспособления на
столе станка. В эту группу входят установы, пальцы, штыри, опоры,
диски, центры различных форм, призмы и т.д.
Направляющие детали и сборочные единицы предназначены для
ориентации и фиксации элементов относительно друг друга. К ним
относятся валики, колонки, планки, шпонки, пальцы, втулки.
Зажимные детали и сборочные единицы служат для закрепления
заготовок в приспособлении. Для этого используются прихваты раз-
личных форм, хомутики, тисочные, клиновые и эксцентриковые
зажимы, гидро- и пневмоцилиндры тянущего и толкающего типа
с различными усилиями на штоке.
Для механизации приспособлений применяются элементы пневмо-
и гидропривода — пневмопреобразователи (давление сжатого воздуха
0,5 МПа преобразуется в давление масла 20 МПа), пневмогидроуси-
лители, аккумуляторы, дроссели. Так, в частности, в комплект базо-
вых плит системы УСП — ЧПУ входит плита с пневмозажимом,
в которой имеется 13 штоков, а общее усилие достигает 60 кН. С по-
мощью пневмогидропреобразователей давление сжатого воздуха мож-
но трансформировать в давление масла 10 или 20 МПа.
В системах переналаживаемой оснастки используют два способа
фиксации элементов относительно друг друга: шпонка — точный паз
и палец — отверстие. Конструкции деталей и сборочных единиц дос-
таточно сложны и универсальны, что обеспечивает возможность об-
работки самых разных заготовок.
Комплекты переналаживаемых приспособлений выпускаются
с различными шириной шпоночного паза (12 и 16 мм для УСП и 11,
18, 22 мм для СРП) или диаметром фиксирующего пальца (8, 10,
12 мм). Время сборки приспособления в зависимости от его сложно-
сти колеблется от 0,5 до 2 ч.
При обработке деталей на многооперационных станках исполни-
тельные элементы приспособления можно монтировать не только на
базовых плитах, но и на базовых секционных угольниках (рис. 5.46).
Они имеют форму куба, на гранях которого выполнена сетка коорди-
натно-фиксирующих отверстий. Смонтировав такой угольник на по-
воротном столе станка, за одну установку можно обрабатывать до
четырех одинаковых или различных деталей.
5.6. Зажимные приспособления
151
Рис. 5.46. Базовый секционный угольник,
закрепленный на базовой плите
Деталь и приспособление должны быть выставлены относительно
начала координат станка, его нулевой точки. Для облегчения ори-
ентации столы станков имеют центральное отверстие или систему
продольных и поперечных пазов. Если это не предусмотрено, то при-
способление базируется относительно упора, положение которого
предварительно выверено. Положение нулевой точки можно найти
с помощью специального установа, центроискателя, щупов и т.д.
Установка заготовок непосредственно на столе станка имеет ряд
существенных недостатков. Базирование и закрепление заготовки,
раскрепление и снятие обработанной детали выполняются в непосред-
ственной близости от рабочей зоны. Это не всегда удобно и безопасно,
а кроме того, не позволяет организовать запас заготовок, заранее за-
крепленных в приспособлениях вне станка. Поэтому для механиза-
ции и автоматизации загрузки широко применяются палеты. Они
имеют очень жесткую плиту с точно обработанными поверхностями
для базовых и крепежных элементов, предназначенных для установ-
ки заготовок. На плите предусмотрены направляющие для прямоли-
нейных перемещений.
Палета с закрепленной заготовкой подается на основной стол стан-
ка и удаляется с него в разгрузочную позицию автоматически. Про-
исходит это следующим образом (рис. 5.47). На поворотном столе 8
и расположенной слева от него загрузочно-разгрузочной позиции А
находятся палеты 4 и 5. Они имеют горизонтальную базовую плос-
кость и планки 2 и 3, позволяющие точно ориентировать заготовку
в пространстве. Сетка резьбовых отверстий служит для расстановки
базовых и крепежных элементов. Справа от стола станка находится
вторая загрузочно-разгрузочная позиция В. Если на палете 5 закреп-
лена заготовка, станок выполняет ее обработку сначала с одной, а за-
тем (после поворота стола вместе с палетой) с других сторон. За это
152
5. Обеспечение заготовками и деталями в ГПС
время на палету, находящуюся в позиции А, устанавливают вторую
заготовку. Когда обработка первой заготовки закончится, палета 5
автоматически передвинется в позицию В для разгрузки, а на ее ме-
сто поступит палета 4 со второй заготовкой. В дальнейшем «маятни-
ковое» движение палет будет повторяться. Для перемещения палет с
позиций А и В имеются поддерживающие 6 и направляющие 1 роли-
ки. Поворотный стол установлен на жесткой станине 7.
Рис. 5.47. Загрузка заготовок на станок с применением палет
Движение палет обеспечивается гидроцилиндром 14, шток кото-
рого связан с кареткой 11. На ее концах имеются захваты Юн 13, ко-
торые входят в зацепление с замками 9 и 12 палет. После этого
каретка и палета, установленная в рабочей позиции, поворачивают-
ся относительно горизонтальной оси.
Палеты закрепляются на столе станка с помощью специального
гидропривода или Г-образных прихватов и комплекта тарельчатых
пружин. Устройства автоматической загрузки компонуются таким
образом, чтобы совместить загрузочную и разгрузочную позиции.
Литература
153
Литература
1.	Modular units for machine tools: Workholding palets. P. 1: Workholding
palets up to 800 mm nominal size. ISO 8526-1.190-08-15.
2.	Honczarenko J. Roboty przemyslowe. Elementy i zastosowanie / J. Hon-
czarenko. Warszawa: WNT, 1996. 216 s.
3.	Lis S. Organizacja elastycznych systemow produkcyjnych / S. Lis, K. San-
tarek, S. Strzelczak. Warszawa: WNT, 1994. 260 s.
4.	Kusyk J. Przepiyw materialow w elastycznych systemach obrobkowych /
J. Kusyk, J. Brewinski // Mechanik. 1988. № 8. S. 370-378.
5.	Kosmol J. Automatyzacja obrabiarek i obrobki skrawaniem / J. Kosmol.
Warszawa: WNT, 2000. 444 s.
д 
i£l ИНСТРУМЕНТООБЕСПЕЧЕНИЕ ГИБКИХ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ
ПРОИЗВОДСТВ

Состав системы инсгрументообеспечения
Задачи системы инструментообеспечения. Система инструмен-
тообеспечения (СИО) предназначена для эффективного решения во-
просов, связанных с работой режущих инструментов. В настоящее
время в отечественной и зарубежной практике применяют системы,
способные:
□	заблаговременно осуществлять настройку инструментов вне
станка;
□	проверять состояние устанавливаемых на станок инструмен-
тов и подготавливать корректирующие команды для управляющих
программ;
□	оперативно и наиболее рационально перемещать инструменты;
□	повышать надежность информации об ожидаемом периоде стой-
кости инструментов, что снижает вероятность отказов;
□	рационально организовывать оперативную смену инструментов;
□	заранее давать команды на сборку, наладку и другую подготов-
ку инструментов, что сокращает вынужденные простои;
□	обеспечивать учет и хранение инструментов.
Правильное функционирование СИО имеет важное значение, по-
скольку ее стоимость может достигать 25 % общей стоимости ПС.
Известны ГПС, содержащие до 50 тыс. только режущих инструментов.
Структура СИО. Возможны два уровня реализации СИО. Напер-
вом уровне каждый станок (гибкий модуль) снабжен одним или
несколькими магазинами режущих инструментов. В магазин устанав-
ливается группа инструментов для обработки конкретной детали. Обыч-
но используются магазины вместимостью до 60 инструментов при
достаточно большой программе выпуска деталей. Фактически это
гибкая поточная линия.
Более перспективно применение групповой технологии обработки
деталей. В этом случае станки с магазином вместимостью 80-140 ин-
6.1. Состав системы инструментообеспечения
155
струментов используются для обработки значительной номенклатуры
деталей, требующих однотипных операций. Общий запас режущих
инструментов сокращается при одновременном повышении уровня
гибкости технологической системы.
На вторам уровне реализации СИО используется автомати-
зированный склад, связанный с инструментальными магазинами
группы станков с помощью автоматических транспортных средств.
Необходимо наличие отделения или участка подготовки инструмен-
тов, а также компьютера для управления инструментальным пото-
ком, работающего во взаимосвязи с другими компьютерами. Этот же
компьютер транслирует управляющие программы в устройства ЧПУ
многоцелевых станков и управляет функциями еще двух компьюте-
ров. Первый из них используется для учета запросов на материалы,
управления потоками материалов и оперативного планирования про-
изводством, второй управляет центральным автоматизированным скла-
дом и перемещениями транспортных средств.
Взаимосвязи элементов СИО показаны на рис. 6.1.
Функции основных элементов СИО. Центральный инструмен-
тальный склад (ЦИС) выполняет функции главного хранилища ин-
струментов. Он является и первым звеном в системе обеспечения
предприятия инструментами. В ЦИСе хранится только новый и при-
годный для работы инструмент. Обычно запасы инструментов в ЦИСе
составляют 25...50 % годового расхода. Для каждого завода устанав-
ливаются нормы хранения запасов инструментов на ЦИСе.
Порядок пополнения запасов инструментов на ЦИСе осущест-
вляется по системе минимум — максимум. Качество покупного инст-
румента подвергается проверке контрольно-проверочным пунктом
(КПП) отдела технического контроля (ОТК) завода непосредственно
на ЦИСе.
В соответствии с принятой классификацией инструмента ЦИС
делится на секции, стеллажи, полки, ячейки. Ячейки обычно отво-
дятся под отдельные типоразмеры инструмента.
Для обслуживания ГАП и ГПС инструментами находят примене-
ние автоматические склады:
□	с клеточными стеллажами и автоматическим стеллажным ура-
ном-штабелером (складским роботом);
□	автоматические элеваторные;
□	карусельные на основе подвесного и тележечного горизонтально
замкнутых конвейеров;
□	вертикально замкнутого цепного или роторного накопителей.
tn
O'
Рис. 6.1. Взаимосвязи элементов СИО
6. Инструментообеспечение ГАП
6.1. Состав системы инструментообеспечения
157
Из ЦИСа инструменты в соответствии с их технологическим на-
значением передаются в инструментально-раздаточные кладовые
(ИРК). Эти кладовые осуществляют:
□	обеспечение ГПС режущими и вспомогательными инструмен-
тами;
□	хранение минимальных запасов режущих и вспомогательных
инструментов и технической документации;
□	передачу затупленных режущих инструментов в отделение цен-
трализованной заточки;
□	контроль режущих и вспомогательных инструментов (работ-
никами центрально-измерительной лаборатории — ЦИЛ);
□	учет и списание всех видов инструментов;
□	передачу инструментов в ремонт.
ИРК связана с отделениями заточки и ремонта инструментов,
которые принимают отказавшие инструменты от ИРК, перетачива-
ют (ремонтируют) их и возвращают восстановленные инструменты.
Участок подготовки инструментов обеспечивает:
□	получение из ИРК и хранение режущих, вспомогательных ин-
струментов и технической документации;
□	сборку режущих и вспомогательных инструментов, настройку
их на размер;
□	размещение настроенных инструментов в сменных магазинах;
□	передачу настроенных инструментов в автоматическую транс-
портную систему инструментального обеспечения посредством робо-
та-манипулятора;
□	разборку отработанных инструментов, сортировку по видам
и степени пригодности;
□	передачу режущих инструментов и технической документа-
ции в ИРК.
Подготовка СИО к работе. При запуске новой партии деталей оп-
ределяется количество инструментов, необходимых для ее обработки;
на это количество выдается документация, в которой содержится
следующая информация: дата подготовки комплекта инструментов,
номер партии деталей, код комплекта инструментов, номер инстру-
мента и их общее количество. При этом в зависимости от места нахо-
ждения подготовленного инструмента в алгоритме функционирования
СИО предусматриваются соответствующие коды. Например: код 1 —
инструмент находится в ИРК, код 2 — инструмент выдан на станок,
код 3 — инструмент снят со станка и возвращен в ИРК. В компьютер
с пульта ввода данных, установленного в ИРК, вводится сообщение.
Оно содержит: код комплекта инструментов, код места нахождения
158	6. Инструментообеспечение ГАП
комплекта (склад инструментов, магазин инструментов, расположение
в накопителе и т.п.), номер станка, на который выдан или с которого
снят комплект. Если в сообщении код места нахождения инструмен-
та 1 (при принятом нами коде), то компьютер формирует массив с ко-
дом подготовленного инструмента; при коде 2 в массив добавляется
номер станка, на который будет выдан комплект; при коде 3 из мас-
сива памяти подготовленных комплектов удаляются код комплекта
и номер станка.
Выходная информация о наличии и месте нахождения подготов-
ленного инструмента выводится на табло или дисплей по запросу
оператора.
Потребность и номенклатура инструментов для обслуживания
ГПС определяются на основании типовых технологических процес-
сов механической обработки деталей. Расчет потребности в инстру-
менте каждого типоразмера определяется по формуле
ГГ _	ГГ
₽ ZT у
где /Гр — норма расхода инструмента на планируемый период; to —
основное время на обработку одной детали данным инструментом;
п — количество деталей, на которое рассчитывается норма расхода;
XT — ресурс работы инструмента до полного износа; Ку — коэффи-
циент случайной убыли.
Минимальный запас инструментов каждого типоразмера (/Tmin)
определяется по формуле
й min = U от	н + й з "Г ст ,
где И — количество настроенных инструментов, находящихся на ра-
бочем месте (в накопителе); /Гот — количество отработанных инстру-
ментов; Ип — количество инструментов, находящихся в настройке;
И3 — количество инструментов, находящихся в заточке; Исг — коли-
чество инструментов, находящихся на стеллаже (страховой запас).
Рекомендации по минимальным запасам режущих инструментов
даны в справочниках.
Максимальный запас инструментов
И = И + И
max min “ р,
где /Гр — среднемесячная норма расхода инструментов.
Запас вспомогательных инструментов принимают из расчета двух
комплектов в зоне обслуживания и двух комплектов настроенных
инструментов на каждый станок.
6.2. Конструкции инструментальной оснастки	159
Конструкции инструментальной оснастки
6.2.1.	Требования к инструментальной оснастке
Конструкцию инструментальной оснастки станков с ЧПУ опре-
деляют присоединительные поверхности для крепления на станке,
промежуточные присоединительные поверхности и поверхности для
крепления режущего инструмента. Выбор рациональных присоеди-
нительных поверхностей и степень их унификации оказывают влия-
ние на построение системы инструментальной оснастки.
Создание систематизированной инструментальной оснастки обу-
словлено использованием устройств для автоматической смены инст-
румента. Конструкции устройств, осуществляющих смену инстру-
ментов и их крепление на станках, определяют форму хвостовика
инструмента, который для данного станка должны иметь все без
исключения режущие инструменты. Необходимость обеспечения
размеров инструментов (в соответствии с программой обработки)
обусловливает введение в конструкции вспомогательных инстру-
ментов устройств, позволяющих регулировать положение режущих
кромок.
Неотъемлемой частью станка с ЧПУ является комплект вспомо-
гательных инструментов, состоящий из резцедержателей, патронов,
оправок и втулок различных конструкций, предназначенных для
крепления режущих инструментов. Такой комплект вместе с прибо-
ром предварительной настройки должен обеспечивать быструю на-
ладку и подналадку инструментов при работе в условиях ГПС.
В настоящее время разработаны системы инструментальной ос-
настки для станков с ЧПУ, представляющие собой наборы унифици-
рованных вспомогательных и специальных режущих инструментов
(резцедержателей, оправок, втулок, зажимных патронов и т.п.). Это
обеспечивает качественное крепление всего стандартного режущего
инструмента, необходимое для полной реализации технологических
возможностей станков с ЧПУ.
К системе инструментальной оснастки предъявляются следую-
щие требования:
1)	номенклатура вспомогательного и специального режущего ин-
струмента, входящего в систему, должна быть сведена к минимуму;
2)	элементы системы должны обеспечивать крепление режущего
инструмента с требуемой точностью, жесткостью и виброустойчиво-
стью (с учетом интенсивных режимов работы);
160
6. Инструментообеспечение ГАП
3)	элементы, входящие в систему, должны обеспечивать в необхо-
димых случаях регулирование положения режущих кромок инстру-
мента относительно координат технологической системы;
4)	элементы системы инструментальной оснастки должны быть
удобными в обслуживании и технологичными в изготовлении.
Системы инструментальной оснастки предназначены для компо-
новки специальных функциональных единиц — инструментальных
блоков (комбинаций режущих и вспомогательных инструментов),
каждый из которых служит для выполнения конкретного технологи-
ческого перехода. Поэтому важно наименьшим количеством вспомо-
гательных инструментов крепить наибольшее количество режущих
инструментов. Осуществляется эта задача унификацией всех конст-
рукций, входящих в систему инструментальной оснастки станков
с ЧПУ.
На основании анализа затрат, связанных с эксплуатацией режу-
щих инструментов, установлены два пути повышения экономичной
скорости резания: сокращение потерь времени на смену инструмен-
тов, вызванных их износом, и повышение периодов стойкости инст-
рументов, а значит — снижение затрат на их эксплуатацию. Для
этого инструментальная оснастка должна обеспечивать:
□	сокращение потерь времени на установку и смену инструментов
за счет упрощения элементов крепления и создания быстросменных
инструментов, а также механизмов автоматической смены инстру-
ментов во время вспомогательного хода станка;
□	сокращение потерь времени на наладку инструментов на станке,
что достигается созданием инструментов, настраиваемых на размер
вне станка, чтобы вновь установленные инструменты обеспечивали
получение размеров детали в требуемых пределах;
□	повышение периодов стойкости, в том числе размерной. Раз-
мерная стойкость инструментов может быть повышена путем примене-
ния их автоматической подналадки, адаптивного управления процес-
сом резания и т.д., а общая стойкость — применением инструментов
с износостойкими покрытиями, подвижными режущими кромками,
обильным подводом СОЖ в зону резания;
□	снижение простоев оборудования, связанных с внеплановым
выходом инструментов из строя, которое достигается повышением
надежности инструментов, созданием информационных систем ди-
агностики состояния режущих инструментов, надежным дроблени-
ем стружки.
6.2. Конструкции инструментальной оснастки	161
6.2.2.	Способы присоединения инструментального
блока к шпинделю
В настоящее время применяется несколько способов присоедине-
ния инструментального блока к шпинделю станка или револьверной
головки.
В станках сверлильно-фрезерно-расточной группы наиболее ши-
роко используется соединение конических поверхностей с конусно-
стью 7:24 (рис. 6.2). Такой конус не является самотормозящимся
и позволяет легко извлекать оправку из шпинделя. Крутящий мо-
мент со шпинделя передается с помощью торцовых шпонок. Оправ-
ка удерживается в шпинделе с помощью тяги и тарельчатых пружин
или затягивается винтом. Движение передается тяге или винту от
гидроцилиндра или электродвигателя. Более подробно конструкции
соединения тяги со шпиндельной оправкой рассматриваются в § 6.4.
Рис. 6.2. Хвостовик шпиндельных оправок станков
сверлильно-фрезерно-расточной группы
В связи с совершенствованием технологии обработки деталей на
станках с ЧПУ, в частности с развитием сверхскоростной обработки,
выявился ряд недостатков данного типа соединений, а именно:
□	значительная масса и сложность балансировки, а значит, высо-
кая вероятность возникновения вибраций в ходе обработки;
□	значительные центробежные силы, способствующие «вспучива-
нию» оправки, которое приводит, с одной стороны, к ее выдвижению
из шпинделя и уменьшению жесткости и надежности соединения
(рис. 6.3), а с другой — к заклиниванию в шпинделе при резком тор-
можении последнего; для вытягивания такой оправки из шпинделя
необходимы весьма значительные усилия, которые автооператор не
может обеспечить;
162
6. Инструментообеспечение ГАП
5	4
Рис. 6.3. Деформации в месте соединения оправка — шпиндель
под действием центробежных сил [1]:
1 — тяга, действующая с силой F; 2 — увеличение диаметра шпинделя; 3 — выдви-
жение оправки из шпинделя; 4 — увеличение диаметра оправки; 5 — зазор между
шпинделем и оправкой
□	изменения в условиях контактирования шпинделя и оправки,
вызывающие заклинивание хвостовика режущего инструмента либо,
наоборот, появление зазоров;
□	подвижки в шпоночном соединении, вызванные центробежными
силами, что недопустимо при весьма высоких частотах вращения.
В связи с этим было предложено и получает все более широкое
распространение соединение типа HSK — Hollow Shank Kegel
(рис. 6.4), разработанное в Аахенском техническом университете
(Германия). Такое соединение имеет значительно меньшие диаметр
и длину конуса (табл. 6.1), причем базирование осуществляется как
по конической, так и по торцовой поверхности. Последнее обстоятель-
ство предотвращает слишком глубокое затягивание оправки в шпин-
дель. Конус внутри полый, в результате чего хвостовик и шпиндель
под действием центробежных сил работают в одинаковых условиях.
Таблица 6.1
Габаритные размеры соединения типа HSK
Параметр	Значение					
Наружный диаметр мм	32	40	50	63	80	100
Диаметр конуса с?2, мм	24	30	38	48	60	75
Длина конуса 119 мм	16	20	25	32	40	50
Конусность	1:10					
6.2. Конструкции инструментальной оснастки
163
Рис. 6.4. Хвостовики HSK:
а — для ручного крепления; б — для автоматического крепления
Разработаны два варианта соединения хвостовика оправки HSK
со шпинделем. В случае ручного соединения (рис. 6.5, а), обычно при
установке в револьверной головке, при повороте установочного вин-
та 3 зажимные кулачки 1 расходятся, действуя на хвостовик 4 оп-
равки 7 с силой F. Ее осевая Foc и радиальная Fp составляющие
обеспечивают постоянный прижим конической и торцовой 6 поверх-
ностей оправки к соответствующим поверхностям гнезда 5 шпинде-
ля 2. При разжиме после поворота винта 3 кулачки 1 возвращаются в
исходное положение и освобождают хвостовик, что позволяет заме-
нить оправку.
Автоматический зажим на станках, оснащенных автооператорами
и магазинами инструментов, осуществляется следующим образом.
При перемещении конической тяги 1 влево происходит радиальное
перемещение сегментов цанги 2 (рис. 6.5, б). Сегменты расходятся
и входят в контакт с внутренней конической поверхностью 3 хвосто-
вика, в результате чего возникает сила зажима F. Составляющие Foc
и Fp этой силы обеспечивают постоянный прижим конической 4 и тор-
цовой 5 поверхностей оправки 6 к соответствующим поверхностям
шпинделя. При движении тяги 1 вправо происходит разжим оправки.
164
6. Инструментообеспечение ГАП
Рис. 6.5. Схема крепления оправки с хвостовиком HSK в шпинделя:
а — ручное; б — автоматическое
В станках токарной группы широко используется присоединение
инструмента к револьверной головке или резцедержателю с помо-
щью цилиндрического хвостовика. Пример конструкции такой дер-
жавки приведен на рис. 6.6.
Резцедержатель базируется по цилиндрической поверхности,
обеспечивающей точную угловую установку инструмента. Крепле-
ние хвостовика в револьверной головке осуществляется с помощью
сухаря или клина, имеющего рифления, смещенные относительно
рифленого хвостовика. В результате опорная поверхность резцедер-
жателя прижимается к револьверной головке с усилием в несколько
десятков килоньютонов.
Для установки резца на высоте центров служит подкладка 4. Ре-
зец крепят с помощью винтов 2 и прижимной планки 3. Подача СОЖ
в зону резания осуществляется через канал в корпусе 69 образованный
6.2. Конструкции инструментальной оснастки
165
Рис. 6.6. Резцедержатель с цилиндрическим хвостовиком
к станкам токарной группы
пересекающимися отверстиями и оканчивающийся соплом 1, позво-
ляющим регулировать направление подачи СОЖ. Для облегчения
настройки резца на размер в корпусе установлены под углом 45° друг
к другу два регулировочных винта 5.
Режущие инструменты могут устанавливаться непосредственно
в резцедержатель станка токарной группы либо через промежуточ-
ный вспомогательный инструмент (переходные оправки и втулки).
Эти элементы, в свою очередь, крепятся в позициях револьверной го-
ловки с помощью специальных устройств различных конструкций.
В одной из разработок фирмы «Sandvik Coromant» инструменталь-
ные блоки устанавливаются в резцедержатели и базируются в верти-
кальном направлении по трем точкам (рис. 6.7), расположенным
в горизонтальной плоскости. В горизонтальном направлении резцы
базируются по двум опорным стенкам, расположенным в вертикаль-
ной плоскости. Блочные резцы в резцедержателях крепятся с помо-
Рис. 6.7. Присоединение инструментальных блоков
типа ВТ фирмы «Sandvik Coromant»:
1 — тяга; 2 — корпус; 3 — вертикальный упор
166	6. Инструментообеспечение ГАП
щью подпружиненной тяги, которая при смене резцов разгружается.
При закреплении резца щеки корпуса расширяются, выбирая имею-
щийся зазор, в результате чего происходит жесткое соединение резца
с резцедержателем. При этом резец надежно прижимается к опор-
ным поверхностям резцедержателя, так как отклонение угла между
опорными поверхностями и опорными стенками незначительно.
Усилие зажима резца создается пакетом тарельчатых пружин,
связанных с гидроцилиндром. Резцедержатель позволяет закреп-
лять правые и левые резцы для наружной и внутренней обработки,
а также специальные резцы. Вертикальный упор держателя выполнен
съемным, что позволяет быстро заменять его в случае повреждения.
Для закрепления резцовых блоков «Krupp Widia» (рис. 6;8, а) ис-
пользуется державка 4, на конце которой выполнена цилиндриче-
ская цапфа, входящая в отверстие в корпусе блока 1. В отверстии
державки размещена центральная тяга 5, контактирующая с четырьмя
штифтами 2, расположенными наклонно к ее оси. При перемещении
тяги штифты входят в кольцевую выточку в отверстии блока и за-
крепляют его на цапфе, подтягивая в осевом направлении до опоры
в торец державки. Цапфа входит в отверстие на длину, равную 2/3
ее диаметра, и воспринимает радиальную составляющую силы реза-
ния, тогда как крутящий момент передается двумя шпонками 3, за-
крепленными на державке и входящими в пазы на торце блока.
Разжим
Зажим
Рис. 6.8. Присоединение инструментальных блоков
фирм «Krupp Widia» (а) и «Kennametal-Hertel» (б)
В системе блоков фирмы «Kennametal-Hertel» (рис. 6.8, б) соеди-
нение головок 1 с державочной частью 2 осуществляется путем заце-
пления двух плоских зубчатых полумуфт. Затяжка головок в осевом
направлении производится с помощью тяги 4 в цанговом патроне,
6.2. Конструкции инструментальной оснастки	167
размещенном в державочной части (или в револьверной головке).
Хвостовик 5 резцовой головки базируется и закрепляется в цанге 3,
состоящей из нескольких резинометаллических элементов. Перемеще-
ние тяги осуществляется вручную или с помощью электродвигателя.
Рис. 6.9. Присоединение инструментальных блоков типа «Capto»
Более жестким и компактным является соединение типа «Capto»
(рис. 6.9), используемое целым рядом фирм. В его основе лежит со-
единение HSK, но в поперечном сечении хвостовик имеет тригональ-
ную форму. Базирование здесь, как и в случае соединения HSK,
осуществляется по конусу и торцу, однако под действием сил реза-
ния в гнезде возникают упругие напряжения, обеспечивающие усилие
зажима до нескольких тонн. Такое соединение с успехом использу-
ется также в станках сверлильно-фрезерно-расточной группы для
установки режущих инструментов в шпиндельных оправках.
6.2.3.	Точность и податливость
инструментальных блоков
Точность сборки и жесткость соединений в инструментальном
блоке играют важную роль в его работоспособности. После сборки
комплекта вспомогательного инструмента величина первичного откло-
нения вершины инструмента от номинального положения равна [2]:
Vi=l
где — коэффициент относительного рассеивания величины замы-
п
кающего звена; At =	— передаточное отношение i-ro звена;
Ц — вылет i-ro элемента компоновки; — вылет, на котором норми-
руется величина перекоса в i-м соединении; kt — коэффициент отно-
сительного рассеивания i-ro звена; — перекос или параллельное
смещение оси.
168
6. Инструментообеспечение ГАП
Поскольку количество составляющих звеньев с одинаковыми до-
пусками среди общего числа собираемых звеньев, как правило, бо-
лее пяти, коэффициент можно принимать равным 1,0. Тогда
Vi-1
В зависимости от количества звеньев можно рассмотреть следую-
щие варианты их соединения:
1)	цельные оправки, непосредственно закрепляемые в шпинделе
станка;
2)	инструмент, состоящий из двух элементов: базового, который
закреплен в шпинделе станка, и сменного (оправок, втулок и т.д.);
вместо него можно крепить также режущий инструмент;
3)	инструмент, состоящий из трех элементов: базового, промежу-
точного и сменного (или режущего) инструмента;
4)	составной инструмент с базовым, двумя промежуточными
и сменным элементами.
Рассмотрим случай наибольшего количества соединяемых эле-
ментов. Согласно схеме сборки (рис. 6.10) можно выявить следую-
щие составляющие погрешности:
□	биение конического отверстия шпинделя (2^);
□	биение шпинделя от перекоса осей (е2);
□	биение базового агрегата от перекоса в соединении конусно-
стью 7:24 (е3);
□	биение сменной втулки или оправки от зазора в цилиндриче-
ском соединении (2е4);
□	биение посадочного отверстия базового агрегата (2е5);
□	биение сменной втулки, оправки или режущего инструмента
от перекоса в цилиндрическом либо коническом соединении (е6);
□	биение конического отверстия в сменной втулке (2е7);
□	биение сменной разрезной втулки или режущего инструмента
от перекоса в коническом соединении (е8);
□	биение цилиндрического отверстия в сменной разрезной втул-
ке (2е9).
Биения 2е^ и е2 принимаются в соответствии с техническими
условиями на станки.
Значения коэффициентов рассеивания, передаточные отношения
звеньев и величины е3—е9 приведены в справочной литературе [2].
Погрешности, возникающие в процессе обработки, значительно
превышают величину е2, поскольку под действием силы резания
6.2. Конструкиии инструментальной оснастки
169
Рис. 6.10. Инструментальный блок в сборе (а) и размерная цепь
образования биений (б)
элементы системы испытывают изгибные деформации и контактные
деформации в стыках. Если пренебречь контактной податливостью
на краю стыка (на основании высокой точности изготовления при-
соединительных поверхностей вспомогательного инструмента), сум-
марную деформацию можно определить следующим образом:
где Р — нагружающая сила; п — количество элементов в инструмен-
тальном блоке; Ц — вылет i-ro элемента вспомогательного инстру-
мента; Е — модуль продольной упругости; — осевой момент сече-
ния i-ro элемента; Q JM — податливость i-ro соединения.
170
6. Инструментообеспечение ГАП
6.2.4.	Гашение колебаний и балансировка
инструментальных блоков
В связи с возрастанием скоростей резания и усложнением конст-
рукции режущих и вспомогательных инструментов важную роль иг-
рают возникающие при работе станка колебания. Они резко снижают
стойкость режущих инструментов, отрицательно действуют на шпин-
дельные опоры станка, ухудшают качество обработанной поверхности.
Поэтому борьба с вибрациями в условиях работы ГПМ приобретает
важное значение.
Имеется много пассивных и активных методов, позволяющих
снизить статические деформации и(или) повысить виброустойчивость
консольных инструментальных оправок, особенно большой длины.
Этого можно добиться снижением уровня сил резания, использова-
нием оправок с высокой демпфирующей способностью, периодическим
изменением режимов резания путем изменения частоты вращения
инструмента или обрабатываемой детали, шага зубьев многолезвийных
инструментов и т.д., применением систем адаптивного управления.
Снижение уровня сил резания может быть обеспечено правильным
выбором геометрии инструмента, химическим составом СОЖ или
тонкопленочных покрытий на режущих инструментах, подогревом
зоны резания, введением в нее дополнительных ультразвуковых ко-
лебаний (два последних способа используются при обработке дета-
лей из труднообрабатываемых материалов).
Демпфирование колебаний может быть достигнуто:
□	армированием материала оправок твердосплавными волокна-
ми (анизотропия механических свойств);
□	правильным выбором материала оправки (согласно имеющимся
данным различия в стойкости инструмента в этом случае достигают
50%);
□	комбинацией двух разнородных материалов, например карбида
вольфрама и металлического вольфрама, имеющего высокую демп-
фирующую способность;
□	использованием предварительно напряженных оправок. Такая
оправка (рис. 6.11) представляет собой трубчатый стержень 3 из
алюминиевого сплава с центральным отверстием, замкнутый с двух
сторон заглушками 1 с уплотнениями. Отверстие заполняется легко-
плавким сплавом 4, например висмутом, который при отвердевании
увеличивается в объеме, т.е. может расширяться. Между трубкой
и сплавом имеется слой масла 2. Расширение твердеющего сплава
приводит к расширению трубчатого стержня, изменяя его жесткость.
6.2. Конструкции инструментальной оснастки
171
12	3	4	1
Рис. 6.11. Схема оправки, заполненной легкоплавким сплавом,
расширяющимся при отвердевании [3]
Так, при длине оправки 710 мм и диаметре 13 мм отмечено увеличе-
ние жесткости на 40 %. Оно может быть увеличено при использова-
нии тонкостенных трубок, а также в случае приложения больших
растягивающих усилий при изменении материала трубки;
□	зажимом инструмента с помощью упругих элементов — резино-
металлических цанг или прокладок, тонкостенных втулок (рис. 6.12)
и т.п.;
□	введением в конструкцию оправки масляных (рис. 6.13), меха-
нических (рис. 6.14) и прочих демпферов.
В некоторых современных устройствах адаптивного управления
используется лазер, встроенный в оправку. Схема одного из таких
устройств для обработки отверстий большого диаметра приведена на
рис. 6.15. В оправке установлены два резца: черновой 1 и чистовой 2,
а на периферии — направляющие пластины 4. Чистовой резец за-
креплен в оправке с помощью упругого прижима 3. Внутри оправки
вмонтирован полупроводниковый лазер 5. Его излучение через раз-
делитель 6 и зеркало 7 попадает на детекторы 3. Деформации оправ-
ки под действием сил резания фиксируются с помощью отклонения
положения лазерного луча, а также с помощью сенсоров (датчиков
Рис. 6.12. Схема зажима инструмента с помощью системы «Tri bos» [3]:
а — исходное положение; б — предварительная деформация стенок оправки;
в — установка хвостовика инструмента в оправку; г — зажатый инструмент;
1 — отверстие полигональной формы; 2 — стенка оправки
172
6. Инструментообеспечение ГАП
Рис. 6.13. Схема оправки с мембранным зажимом инструмента
и масляным демпфером [4]:
1 — шпиндель станка; 2 — поверхность зажима; 3 — мембрана; 4 — демпфирующий
масляный слой; 5 — хвостовик оправки
Рис. 6.14. Схема оправки с механическим демпфером [5]:
1 — резиновые вставки; 2 — вольфрамовый стержень; 3 — гайка
касания) 10. Изменение положения вершины чистового резца осу-
ществляется под действием пьезоэлектрического устройства 11 и
рычага 9. Возникающие перекосы оси оправки регулируются двумя
шаговыми двигателями и шарико-винтовыми парами. Для направ-
ления оправки служат направляющие 12.
В современных станках даже относительно крупные шпиндели,
с диаметрами шеек подшипников 100...120 мм и конусом 50, работают
счастотами 20...30 тыс. об/мин. Такие высокие частоты предъявляют
жесткие требования к инструментальной оснастке, в том числе по
степени ее динамической балансировки, так как центробежные силы
могут достигать очень высоких значений. Например, для инстру-
мента, имеющего массу 10 кг и эксцентриситет только 1 мкм, дисба-
ланс достигает 108 Н • м, а центробежная сила при частоте вращения
30 тыс. об/мин равна 100 Н. Такая сила может существенно воздей-
ствовать на динамическое состояние станка, особенно если частоты
резания близки к частотам собственных колебаний. Степень балан-
6.2. Конструкиии инструментальной оснастки
173
Рис. 6.15. Схема оправки с адаптивным управлением (а) и устройства
для компенсации положения вершины резца (б) [6]
сировки может влиять на точность и качество обработанной на станке
поверхности, стойкость инструмента и ресурс шпиндельных под-
шипников. JB условиях свёрхскоростного резания в ряде случаев
наблюдалось разрушение режущего инструмента в результате дис-
баланса.
В системе инструментальный блок — шпиндель именно первый
отвечает за появление дисбаланса, поскольку шпиндель точно сбалан-
сирован на станкостроительном заводе. Дисбаланс в инструменталь-
ном блоке возникает вследствие целого рада причин, в частности
из-за наличия торцовых и продольных шпонок, пазов для захватов
манипулятора и ориентации оправки в магазине, головок винтов,
174
6. Инструментообеспечение ГАП
единичных лезвий режущих инструментов, например расточных
резцов и др.
Точность балансировки для многоцелевых станков, работающих
в традиционном диапазоне скоростей, должна быть не ниже класса
G2.5 по стандарту ISO 1940/1:1986; для высокоскоростных станков —
в пределах классов G1 - G0.4. Номер в обозначении класса представ-
ляет допустимый дисбаланс (в миллиметрах) на 1 кг массы, вращаю-
щейся с частотой 10 тыс. об/мин.
Согласно данным фирмы «Kennametal-Hertel», использование
шпиндельных оправок с комплектом балансировочных колец обес-
печивает устойчивую работу при частотах вращения до 40 тыс. об/мин,
тогда как для обычных оправок частоты не превышают 8 тыс. об/мин.
Рис. 6.16. Оправки с балансировочными
кольцами фирмы «Kennametal-Hertel»
Рис. 6.17. Устройство для динами-
ческой балансировки [3]
Для обеспечения хороших условий работы балансировка инстру-
ментального блока производится перед его установкой на станок.
Она может осуществляться, в частности, с помощью пары баланси-
ровочных колец, располагаемых на оправке. Балансировка может
выполняться в статике (рис. 6.16) или в динамике (рис. 6.17). В по-
следнем случае используют роторы, установленные на шпинделе,
которые могут вращаться под действием постоянного магнитного
поля. Два ротора 3 установлены на подшипниках 4 в неуравновешен-
ном вращающемся элементе (шпинделе, оправке и т.д.). Оба ротора
на периферии имеют небольшие постоянные магниты 5. Между
6.2. Конструкции инструментальной оснастки	175
роторами 3 и пластинами 2 статора 6 имеется воздушный зазор.
В статоре предусмотрена система воздушного охлаждения 1. Магнит-
ное поле роторов изменяется синхронно с возбуждающим сигналом
(колебаниями) и вызывает их циклические повороты, вследствие
чего уменьшается дисбаланс.
6.2.5.	Модульные системы вспомогательной оснастки
Для обработки корпусных, плоскостных деталей и деталей типа
среднего и мелкого литья в ГПС на базе многоцелевых станков при
большом разнообразии деталей и уменьшении их количества в пар-
тии требуется значительное увеличение количества инструментов.
Для сокращения количества инструментов применяют блочно-мо-
дульные системы. Такие инструменты выполняют составными из от-
дельных элементов (модулей): базовых хвостовиков, переходников
и элементов для базирования и закрепления режущего инструмента
(держателей инструмента), из которых компонуют необходимые
конструкции (рис. 6.18). Модульный инструмент может быть ис-
пользован многократно для различных операций путем замены од-
ного или нескольких модулей. В промышленности используются
различные системы модульных инструментов.
Рис. 6.18. Комплект оправок модульной конструкции
Одной из проблем при разработке модульных инструментов явля-
ется выбор конструкции соединительных элементов. При этом должны
обеспечиваться достаточные жесткость, точность и повторяемость
размеров инструментов. Зазоры в соединениях модулей, образован-
ные из-за отклонений размеров в пределах допусков, устраняются
с помощью упругих хвостовиков и затяжных элементов (цанг, рыча-
гов, винтов и др.). В настоящее время применяется несколько типов
соединений базовых и сменных агрегатов (табл. 6.2).
176
6. Инструментообеспечение ГАП
Таблица 6.2
Способы соединений модульных элементов [7]
Характер присоединительных поверхностей	Способ соединения	Разработчик (фирма, страна)	Эскиз		
Короткий конус и плоский торец	Шарики и осевой зажим	♦ Krupp Widia» (Германия)			
Короткий конус с РК-профилем	Затяжной осевой винт	♦Walter» (Германия)			
Цилиндр или конус и плоский торец	Затяжной и сто- порный винты	«Динамика» (Россия)			
	Цанга и затяжной конус				1
	Затяжной конус и рычаги	«Giihring», «Мара!» (Германия)	а		Й7 Р
	Затяжной ради- альный винт	«Wohlhaupter» (Германия), «Nikken» (Япония)		Цд-Ф-Т таД* г	
	Непосредственное свинчивание	«СО» (Швейцария), «Вакйег» (Италия), «Krupp Widia» (Германия)			
	Радиальный винт и затяжной кони- ческий элемент	«Komet», «Мара!», «Tizit» (Германия)			
6.3. Оснастка станков сверлильно-фрезерно-расточной группы
177
Инструментальная оснастка станков
б.з:
сверлильно-фрезерно-расточной группы
Вспомогательные инструменты служат для соединения режущих
инструментов со шпинделем станка, суппортом или револьверной
головкой. С учетом многообразия конструкций и размеров режущих
инструментов, необходимости сокращения номенклатуры и затрат
на изготовление и эксплуатацию вспомогательных инструментов в на-
стоящее время разработаны системы для сверлильно-фрезерно-рас-
точных станков с коническим посадочным отверстием шпинделя.
Такая система состоит из ряда шпиндельных оправок, переходных
оправок и патронов. Некоторые элементы приведены на рис. 6.19.
Оправки 1 —3 служат для крепления фрез с торцовыми или продоль-
Рис. 6.19. Подсистема вспомогательных инструментов
для станков сверлильно-фрезерно-расточной группы
178	6. Инструментообеспечение ГАП
ними шпонками либо центрируемых по отверстию. Цанговые патро-
ны 4 используются для закрепления сверл, разверток, фрез с цилинд-
рическим хвостовиком. В комплект входят переходные оправки для
закрепления концевых фрез с хвостовиком специальной формы (5),
инструментов с конусом Морзе и лапкой (6) или резьбовым отверсти-
ем (7), державки (S) для регулируемых втулок и оправок. Оправки 9,
10 используются для закрепления расточных резцов, 11 — для на-
садных разверток, 12 — для подрезных пластин. В подсистему вхо-
дят также универсальные расточные головки (13).
Применение переходных оправок, закрепляемых в державке S,
позволяет регулировать осевые размеры инструментов вне станка.
В державках закрепляются цанговые патроны 14, переходные регу-
лируемые втулки 15, оправки 16 для насадных зенкеров и развер-
ток, патроны для метчиков 17, расточные оправки 18, оправки для
двухрезцовых головок 19 и дисковых фрез 21, державки для перо-
вых сверл 20.
Из вспомогательных инструментов с конусом Морзе в подсистему
входят сверлильные патроны 22, патроны для метчиков 23, расточ-
ные патроны 24 и оправки для насадных разверток 25.
В станках сверлильно-фрезерно-расточной группы широко исполь-
зуется модульный принцип разработки и комплектации оснастки.
В первую очередь это относится к расточным оправкам и борштан-
гам. Инструмент, собираемый из унифицированных модулей, имеет
такие преимущества, как универсальность, т.е. возможность приме-
нения на различных типах станков, и возможность группирования,
т.е. обработки близких по конструкции деталей.
В станках с ЧПУ сверлильно-фрезерно-расточной группы инстру-
менты устанавливаются в шпиндель станка не непосредственно, а с по-
мощью стандартных оправок (см. рис. 6.2). Эти оправки имеют кони-
ческий хвостовик с конусностью 7:24. На оправке имеется фланец
с канавкой V-образной формы. За этот фланец оправку удерживает
автооператор. Для передачи крутящего момента во фланце имеются
радиальные пазы, которыми он сцепляется с торцовыми шпонками
шпинделя станка. В связи с этим оправка вводится в отверстие шпин-
деля под определенным углом. В этом же положении должен автома-
тически останавливаться шпиндель. При загрузке магазина оправка
с закрепленным в ней инструментом также должна быть строго ори-
ентирована в гнезде магазина. Для этого служит угловой вырез во
фланце. Оправка удерживается в гнезде магазина с помощью под-
пружиненного фиксатора. В шпинделе станка оправка крепится
с помощью тяги с захватом и тарельчатых пружин или затягивается
винтом.
6.3. Оснастка станков сверлильно-фрезерно-расточной группы	179
Существуют два типа захватных устройств: с радиальным и осе-
вым зажимом. В отдельных случаях инструмент свободно укладыва-
ется в выемки губок захвата. Для радиального зажима используются
цилиндрические части и кольцевая выточка на конце оправки инст-
румента или защитной втулки, надеваемой на конец инструмента,
а для осевого зажима — фланец на конце оправки. Инструмент в за-
хвате автооператора может удерживаться с помощью сил трения при
сжатии губок захвата. В некоторых случаях для большей надежности
захвата применяют фиксирующие устройства. Закрепление инстру-
ментов в автооператоре осуществляется от механических, гидравли-
ческих, а иногда комбинированных приводов. В последнем случае
зажим производится от пружин, а отжим — под действием давления
масла.
В зависимости от конструкции захвата встречаются различные
конструктивные исполнения концевой части хвостовика 1 (рис. 6.20).
В ряде случаев в резьбовое отверстие ввертывается штырь 2 с заплечи-
ками (рис. 6.20, а). В некоторых станках используется захват непосред-
ственно по внутренней поверхности оправки, при котором со стороны
ее заднего торца расточена выточка с овальным входом (рис. 6.20, б).
В других станках прямоугольный вход и выточку имеют штыри, ввора-
чиваемые в конец хвостовика (рис. 6.20, в). Соответствующую некруг-
лую форму имеет конец штока зажимного механизма. Перемещаясь
вперед, шток входит в выточку, поворачивается в ней на 90° и, воз-
вращаясь назад, захватывает и закрепляет оправку. При затяжке
Рис. 6.20. Захватные устройства инструментальных оправок
180	6. Инструментообеспечение ГАП
винтом (рис. 6.20, г) шток, вращаясь, ввинчивается в оправку и за-
тягивает ее в шпиндель станка.
В конструкции оправок многооперационных станков предусматри-
вается возможность их автоматического поиска и замены (см. §6.7).
Наряду с жесткими применяются регулируемые оправки (рис. 6.21).
Они устанавливаются в переходную державку (с конусностью 7:24),
в корпусе 1 которой имеется внутреннее цилиндрическое отверстие
диаметром 36 или 48 мм со шпоночным пазом. Хвостовик 3 регулируе-
мой оправки или втулки устанавливается в отверстие. Регулирование
вылета инструмента осуществляется вращением регулировочной гай-
ки 5 по наружной трапецеидальной резьбе хвостовика 3. Это обеспе-
чивает осевое перемещение инструмента, который не вращается из-за
шпонки 2, передающей крутящий момент. После настройки на раз-
мер гайка фиксируется на хвостовике с помощью стопорного винта 6
и медной прокладки 7, а сам хвостовик в корпусе — винтами 4. Для
предотвращения вытягивания инструмента из корпуса на поверхно-
сти хвостовика сделан косой срез под углом 2°.
Рис. 6.21. Схема закрепления регулируемой оправки
Для расширения технологических возможностей многоопера-
ционных станков, с целью сокращения их простоев применяются
специальные конструкции вспомогательного инструмента. К ним
относятся сверлильные головки для обработки отверстий несколь-
ких одинаковых или различных диаметров, расположенных в ряд
либо произвольно (рис. 6.22). Используются также головки для свер-
ления отверстий, перпендикулярных к оси шпинделя станка. В этом
случае на фланце ведущего вала головки выполнены пазы, предна-
значенные для передачи крутящего момента от шпинделя станка
ведущему валу. Базовые втулки служат для соединения корпуса го-
ловки со шпиндельной бабкой станка.
6.3. Оснастка станков сверлильно-фрезерно-расточной группы
181
Рис. 6.22. Специальные многошпиндельные головки
Рис. 6.23. Плансуппортная головка:
а — общий вид; б — схема работы
Плансуппортные головки используются для обработки канавок
и пазов различной формы, подрезания «обратных» торцов в тех слу-
чаях, когда затруднена обработка поверхностей вращения методом
контурного фрезерования. Резец, расточная оправка или другой ин-
струмент закрепляется в суппорте, установленном в направляющих
планшайбы или корпуса инструментальной головки (рис. 6.23). При
вращении планшайбы или корпуса суппорт может перемещаться
в радиальном направлении с помощью реечно-зубчатой передачи.
Рейка 1 прикреплена к суппорту 2, рейка 5 связана с тягой 4, прохо-
дящей через отверстие шпинделя. При перемещениях тяги вдоль оси
шпинделя она поворачивает шестерню 3, вместе с которой поворачи-
вается вторая такая же шестерня, передвигающая рейку 1 и суп-
порт 2 с инструментом.
Рис. 6.24. Система оправок фирмы «Sandvik Coromant»
I
(
i
»
i
I
i
i
co
NJ
6. Инструментообеспечение ГАП
6.4. Инструментальная оснастка станков токарной группы
183
Используются головки для прецизионного растачивания с авто-
матической компенсацией износа резца, головки со встроенными
планетарными механизмами, позволяющие увеличивать частоту
вращения мелких сверл и фрез в несколько раз по сравнению с часто-
той вращения шпинделя.
Система инструментальной оснастки станков сверлильно-фре-
зерно-расточной группы фирмы «Sandvik Coromant» приведена на
рис. 6.24.
Инструментальная оснастка станков
токарной группы
Вспомогательные инструменты для токарных станков с ЧПУ объ-
единены в комплекты, состоящие из державок с цилиндрическим
хвостовиком или хвостовиком системы «Capto». В комплекте, пред-
ставленном на рис. 6.25, резцедержатели 1, 2, 4, 7—9 служат для
обработки наружных поверхностей, а резцедержатели 3,5, 6 — для
обработки внутренних поверхностей, выточек и канавок. Переходная
втулка 10 используется для крепления инструментов круглого сече-
ния диаметром 16...40 мм, а втулка 17 — для крепления инструментов
круглого сечения диаметром 8...32 мм. Втулки 12, 2 3 используются
для крепления инструментов с конусом Морзе, а державка 11 — для
крепления перовых сверл. Элементы 14, 15 — расточные оправки;
16 — резьбонарезной патрон; 18, 19 — переходные втулки со шпо-
ночным пазом, позволяющим использовать оснастку станков свер-
лильно-фрезерно-расточной группы (см. рис. 6.19).
Комплект фирмы «Walter» (рис. 6.26) предназначен для револь-
верных головок, несущих как неподвижные, так и вращающиеся
инструменты с хвостовиками типа «Сарto». Оправка 1 имеет ось кре-
пления инструмента, повернутую на 90° относительно исходной оси
револьверной головки, тогда’как оправка 2 имеет прямолинейную
ось. Державки 3—6 служат для крепления неподвижных инстру-
ментов, например резцов различных типов, державка 7 может быть
специализирована для нестандартных конструкций режущего инст-
румента; 8,9 — переходные втулки разных типов, 10—12 — удлини-
тели. В комплект входят также цанговый патрон 13, оправка 14 для
крепления регулируемых расточных инструментов, оправки 15vl18
для крепления инструментов с цилиндрическим хвостовиком, резь-
бонарезной патрон 16, оправка 17 для крепления фрез.
6. Инструментообеспечение ГАП
6.4. Инструментальная оснастка станков токарной группы
185
Рис. 6.26. Система токарных оправок фирмы «Walter»
186	6. Инструментообеспечение ГАП
На рис. 6.27 показано крепление в револьверной головке инстру-
ментов с хвостовиками типа «Capto» фирмы «Sandvik Coromant».
Рис. 6.27. Система оправок типа «Capto» для револьверных головок
токарных станков (ручной зажим)
.6.5^
Быстросменные конструкции режущих
инструментов
Быстрота смены инструмента обеспечивается совершенствованием
методов его крепления и базирования, а также унификацией присоеди-
нительных поверхностей режущих и вспомогательных инструментов.
Базирование инструмента должно быть таким, чтобы силы резания
воспринимались базовыми поверхностями вспомогательного инст-
румента (державки), а элементы креплений инструмента были от
них разгружены. Эти элементы предназначены только для прижима
базовых поверхностей режущего инструмента к базовым поверхно-
стям вспомогательного инструмента.
Идентичность базирования корпуса резца в настроечном при-
способлении и державке повышает точность установки, которая
в значительной мере зависит от способа крепления инструмента.
Зажимные болты или клинья деформируют резец и державку, иска-
жая настроечные размеры. Свободная установка резца с предвари-
6.5. Быстросменные конструкции режущих инструментов	187
тельный поджимом и использованием сил резания для крепления
корпусов инструментов устраняет погрешности, вызываемые зажим-
ными устройствами, и позволяет создавать конструкции державок,
обеспечивающие быструю смену изношенных резцов.
Основным способом крепления резцов силами резания является
устранение опрокидывающего момента, вызываемого силой резания,
т.е. создание опоры под режущей частью резца (рис. 6.28). Резцы
следует устанавливать в закрытые пазы резцедержателя и обеспечи-
вать их вылет относительно последнего так, чтобы сила R = Р2 + Ру
проходила через опорную поверхность резцедержателя. Установле-
но, что при нормальных условиях обработки угол, образованный ка-
сательной к обрабатываемой поверхности в точке резания и линией,
проведенной из вершины резца до края опоры под ним, не должен
превышать 15°. Достоинство такого способа установки резцов за-
ключается в том, что увеличивается жесткость системы и вибро-
устойчивость инструмента.
Рис. 6.28. Схема крепления резца силами резания
Широкое распространение получило крепление резцов винтом
(рис. 6.29). Набоковой поверхности резца имеется скос (от 10 до 45°).
Рис. 6.29. Резцовая вставка со скосом (а) и схема ее крепления (б)
188	6. Инструментообеспечение ГАП
Значительно меньшее время для замены требуется при закреплении
резца клином, расположенным на подпружиненной тяге (рис. 6.30).
Основание резца имеет поперечный паз под углом относительно бо-
ковой поверхности резца, в который вводится клин 3, укрепленный
на цилиндрической тяге 2, поджимаемой пружиной 5. Нажимая на
тягу, устанавливают резец в гнездо корпуса, и отпускают тягу. При
этом клин захватывает резец 4 и прижимает его к боковой и опорной
поверхностям и регулировочному винту 2. Окончательное закрепле-
ние осуществляется силами резания. На смену резца, предварительно
настроенного на размер, затрачивается не более 15...20 с. Однако дан-
ный тип крепления не получил широкого распространения, так как
требует высокой точности выполнения при большой трудоемкости.
Рис. 6.30. Схема устройства для быстрого зажима резцов
Бесподналадочная смена инструмента обеспечивается наличием
элементов регулирования его размера по длине или размера вылета.
Элементы регулирования компенсируют также изменение размеров
инструмента после переточки.
На резцах требуемую длину получают с помощью регулировоч-
ных винтов со сферической головкой, которая должна касаться упо-
ра резцедержателя (рис. 6.31, а).
Бесподналадочная смена осевого инструмента достигается путем
применения регулировочных винтов, которые обеспечивают получе-
ние требуемой длины инструмента (рис. 6.31, б, в) или регулировоч-
ных гаек (рис. 6.32), позволяющих получать необходимый вылет
инструмента.
6.6. Настройка инструментов на размер вне станка
189
а
в
Рис. 6.37. Бес под на л ад очный стержневой инструмент
с регулировочным винтом:
а — резец; б — центровочное сверло; в — концевая фреза
Ч



Рис. 6.32. Схема настройки вылета стрежневого инструмента
регулировочной гайкой
Настройка инструментов на размер
6.6?
вне станка
Общие положения. Настройка инструментов на размер вне стан-
ка рациональна в условиях применения быстросменного и взаимоза-
меняемого однотипного инструмента. Точность настройки зависит
от конструкции применяемых приспособлений, способа базирования
инструмента в приспособлении, способа поджима инструмента
190	6. Инструментообеспечение ГАП
к базовым поверхностям приспособления, погрешности перебазиро-
вания при переустановке инструмента, формы поверхности, контак-
тирующей с режущими кромками (вершинами) инструмента при
настройке, формы обработанной поверхности, средств контроля, места
настройки, квалификации наладчика.
Для настройки инструмента на размер вне станка применяются
специальные приспособления. Жесткие измерительные устройства
типа скоб обеспечивают точность настройки не выше 0,3 мм, при-
способления флажкового типа с жесткой фиксацией длины инстру-
мента — 0,15...0,2 мм, индикаторные приспособления позволяют
настраивать инструмент с точностью 0,015...0,03 мм. Индикаторы
следует применять при точности настройки инструмента выше 0,1 мм.
Все приспособления с подвижными упорами (индикаторные и бес-
шкальные универсальные приборы) имеют эталоны для юстировки.
В приспособлениях для компенсации износа упоры целесообразно
изготавливать регулируемыми. Для свободного извлечения настро-
енного инструмента из приспособления без перемещения режущих
кромок по упору следует использовать отводные, откидные или по-
воротные упоры, которые обеспечивают строго определенное поло-
жение инструмента во время настройки.
К приспособлениям для настройки режущего инструмента предъ-
являются следующие требования:
1)	базовые поверхности для крепления инструмента в приспособ-
лениях должны быть одинаковыми с базовыми поверхностями на
станке;
2)	форма поверхности, контактирующей с режущими кромками
инструмента при настройке, по возможности должна соответствовать
форме поверхности детали, обработанной данным инструментом;
3)	усилие, действующее на режущие кромки инструмента, не долж-
но быть более 2 Н, так как в противном случае возможно выкрашивание
кромок. Следует избегать непосредственного контакта измеритель-
ного наконечника индикатора часового типа с режущими кромками;
4)	приспособления для настройки инструмента должны обеспечи-
вать требуемую точность настройки, быть простыми и удобными
в эксплуатации.
Настройка инструмента на размер вне станка рациональна в сле-
дующих случаях:
□	применение в наладках быстросменного и взаимозаменяемого
инструмента, обеспечивающего требуемую точность обработки;
□	использование большого количества однотипных инструментов
для сокращения вспомогательного времени на их замену и подналадку;
6.6. Настройка инструментов на размер вне станка	191
□	автоматическая замена и автоматическая подналадка инстру-
ментов;
□	большая загрузка наладчика, занятого непосредственно в ос-
новном производстве.
Конструкции приспособлений. Практика показывает, что наи-
большую точность замены обеспечивает взаимозаменяемость, которая
достигается с помощью регулируемого инструмента. При обработке
деталей диаметром до 150 мм погрешности установки составляют
40. ..50 мкм.
При небольшом количестве инструментов в наладке станка их на-
стройка на размер может производиться в одноместных приспособ-
лениях. На рис. 6.31, а показано приспособление, предназначенное
для настройки проходных резцов на длину вне станка. Настройка
размера L может выполняться с использованием универсальных из-
мерительных приборов индикаторного типа и скоб. Инструмент, от-
регулированный на размер вне станка, при установке прижимается
к упору и, следовательно, обеспечивает требуемое рабочее положе-
ние резца или другого инструмента.
Более высокую точность настройки обеспечивают приспособления
с индикатором. Настройку резцовых вставок по длине производят
вне станка в приспособлениях, работающих по принципу плаваю-
щей измерительной скобы (рис. 6.33). Резец 4 устанавливают в пазу
корпуса 11 и крепят пружинным прихватом 6. По направляющим
корпуса перемещается ползун 7 с закрепленными на нем кронштей-
нами 2 и 9 для установки индикатора 5 и микрометрического винта
1. Вершина резца упирается в подпружиненный шток S, связанный
с индикатором, а регулировочный винт 3 — в торец микрометрическо-
го винта. При наладке поворачивают регулировочный винт и следят
Рис, 6.33, Приспособление для настройки резцов, работающее по принципу
плавающей измерительной скобы
192	6. Инструментообеспечение ГАП
за показаниями индикатора, предварительно выставленного по эта-
лону. Благодаря тому что измерительная скоба постоянно поджима-
ется пружиной 10 к регулировочному винту 3, смещение резца вдоль
оси паза не влияет на показания индикатора. Это исключает погреш-
ности установки и позволяет производить наладку в двух направле-
ниях.
Для настройки расточных резцов на диаметр в расточных оправках
и борштангах применяют приспособления типа «наездник» — приз-
мы с предельными шаблонами или индикаторами. Резцы для раста-
чивания на проход обычно настраивают по диаметру, а инструмент,
предназначенный для растачивания «в упор», регулируют также по
главной режущей кромке вдоль оси отверстия обрабатываемой детали.
Приспособление с предельным шаблоном (рис. 6.34, а) имеет пласти-
ну 1 с рабочими гранями по проходному и непроходному размерам
(ПР и НЕ), установленную на призме 2. Предельный шаблон исполь-
зуют при настройке инструмента для чернового растачивания.
Приспособление, показанное на рис. 6.34, б, предназначено для
точной настройки расточных резцов во вспомогательном инструменте,
применяемом для чистового растачивания. Сначала приспособление
настраивают по эталону на диаметр растачиваемого отверстия, уста-
навливают его призмой 3 на базовую шейку эталона РОэ» регулируя
положение ролика 2 по шейке Dp и фиксируя нуль по шкале индика-
тора /. Затем приспособление устанавливают призмой на оправку
(борштангу) по базовому диаметру DQ. С помощью регулировочного
винта резец подают до соприкосновения с роликом. Перемещение
позволяет выставить стрелку индикатора на нуль и установить резец
на заданный размер 2)р.
Конструкцией приспособления, показанного на рис. 6.34, в, пре-
дусматривается закрепление его на оправке с помощью выключаю-
щихся постоянных магнитов 1. При настройке резец выдвигают до
контакта с плоским измерительным стерженем индикаторной го-
ловки.
С учетом точности изготовления эталона погрешность настройки
определяется по формуле
ДН =	+ Дрег + Аусг.пр >
где Дэ — погрешность изготовления эталона; Дрег — погрешность ре-
гулирования, связанная с точностью установки инструмента и воз-
можностью закрепления его без смещения (она установлена' по
опытным данным и определяется по табл. 6.3); Дуст<пр — погрешность
6.6. Настройка инструментов на размер вне станка
193
Рис. 6.34. Приспособления типа «наездник» для настройки
расточных резцов (а - в) и эталон для их юстировки (г)
установки приспособления для настройки на шейку диаметром Во
вспомогательного инструмента:
А уст.пр
= РД ~^д-э .
2sin(a/2)’
Вд — действительный диаметр борштанги в зоне установки призмы
(его определяют путем измерения с точностью до 1 мкм); Вд э — дей-
ствительный диаметр базовой шейки эталона; a — угол призмы при-
способления для настройки.
194
6. Инструментообеспечение ГАП
Таблица 6.3
Погрешности регулирования резца при наладке по диаметру
Метод регулирования положения резца	Дре,, МКМ
По лимбу с ценой деления, мм:	
0,1...0,5	30...70
0,05	15...30
0,03	10...30
0,02	10...15
0,01	5...10
По индикаторному упору с ценой деления, мм:	
0,01	10...15
0,002	3...5
0,001	1...2
По жесткому упору По эталонной детали (шаблону):	20...50
резец закрепляют винтами резцедержателя по- сле его соприкосновения с шаблоном	100...130
резец, закрепленный в резцедержателе, подво- дят к шаблону винтом, контролируя его поло- жение по щупу	7...10
Установка взаимозаменяемого режущего инстру- мента, настроенного на размер вне станка с помо- щью индикатора	20...30
Изменение положения или смена неперетачивае- мой пластины:	
трехгранной и квадратной	50...360
пятигранной	150...310
шестигранной	160...300
Для настройки осевых инструментов вне станка используются
различные измерительные устройства. Приспособление типа скобы
приведено на рис. 6.35. Измерительная скоба 2 крепится на призме
4, позволяющей устанавливать скобу на хвостовике инструмента.
Режущая часть инструмента упирается в твердосплавную пяту 3
скобы. Регулировочным винтом 1 хвостовика инструмента произво-
дится настройка на заданную длину LH. При установке настроенного
инструмента в шпиндель агрегатной головки регулировочный вйнт
упирается в торец гнезда шпинделя.
6.6. Настройка инструментов на размер вне станка
195
Рис. 6.35. Предельная скоба
На рис. 6.36 показан длинномер для настройки вылета осевого
инструмента на станке. Установка требуемой длины инструмента
производится от торца многошпиндельной головки. На стержне 3
монтируют две центрирующие призмы 1,2 и упор 4. Стержень может
снабжаться шкалой с делениями. Такая настройка вылета инстру-
мента не обеспечивает высокой точности и применяется для настрой-
ки инструмента, работающего напроход.
Рис. 6.36. Длинномер для настройки вылета осевого инструмента
Универсальное приспособление для настройки осевого инстру-
мента (рис. 6.37) позволяет Настраивать его в пределах 150...550 мм.
Приспособление настраивают по эталону, установленному между
неподвижным 6 и подвижным 9 упорами. Последний размещен на
откидной планке 7, которая перемещается вдоль вала 4. Откидная
планка 7 фиксируется упором 6, скользящим вдоль вала 8. Настраи-
ваемый инструмент с удлинителем в сборе устанавливают между
упорами 2 и 5, которые лежат в плоскостях расположения упоров 1
и 9 соответственно. Сменная втулка 3 позволяет настраивать инстру-
мент с различным диаметром хвостовиков.
196
6. Инструментообеспечение ГАП
На рис. 6.38 показано приспособление флажкового типа, обеспечи-
вающее точность настройки по размеру LH. В корпусе 1 приспособления
закреплены втулка 2 и стойка 3. На стойке крепится многофлажко-
вый упор 4 для настройки нескольких инструментов на различную
длину. При использовании специальных втулок 5 на отдельных по-
зициях можно настраивать комбинированный инструмент. Для по-
вышения точности настройки вместо жесткого флажкового упора
используется индикатор. Регулировка при настройке на требуемую
длину производится гайками 6.
Для настройки осевых инструментов можно использовать при-
способления с индикатором. При этом щуп индикатора касается ре-
гулировочного винта, которым и производится настройка на размер
LH. Индикатор предварительно настраивают по эталону длины.
Настройку фрез на черновую обработку осуществляют на приспо-
соблениях, в которых в качестве звена, компенсирующего износ
инструмента, используются мерные промежуточные шайбы, при-
крепляемые к заднему торцу фрезы. После переточки фрезы, подби-
рая шайбу из набора, устанавливают требуемый размер, который
проверяют поворотной скобой. Для повышения точности настройки
вместо скобы с предельным шаблоном используют стойку с индика-
тором.
Более совершенной является настройка фрез на заданный вылет
с помощью регулируемой вставки. Вставку настраивают на размер
вне станка с помощью индикатора с ценой деления 0,01 мм.
Настройку наборов фрез производят по осевым размерам: либо по
расстояниям от торцовых кромок режущих зубьев каждой фрезы до
базового торца (фланца) оправки, либо по размерам между торцовы-
ми кромками двух фрез и расстоянию от торцового зуба одной из
фрез до базового торца оправки. Приспособление для настройки
6.6. Настройка инструментов на размер вне станка
197
Рис. 6.38. Приспособление флажкового типа
набора из двух двусторонних дисковых фрез вне станка показано на
рис. 6.39. Осевое положение фрез выдерживают по двум размерам:
расстоянию от базового опорного торца оправки до режущей кромки
нижней фрезы и расстоянию между режущими кромками обеих
фрез. Оправка 3 с фрезами базируется на приспособлении по плоско-
сти плиты 1 и пальцу 2. На плите установлена стойка 7 с настроечны-
ми установами в. Для возможности установки и снятия оправки
с фрезами настроечные установы выполнены подвижными. Фрезы
настраивают с помощью регулируемых промежуточных колец 4 и 5
на оправке; при этом допускается зазор Д между режущими кромка-
ми фрез и плоскостями настроечных установов для ввода щупа.
198
6. Инструментообеспечение ГАП
Рис. 6.39. Приспособление для настройки набора дисковых фрез
с помощью жесткого установа
Погрешность настройки фрез на заданные размеры с применени-
ем эталонов можно определить по формуле
дн =
где Дэ — погрешность изготовления эталона; — погрешность ре-
гулирования зуба фрезы по предельному шаблону или индикаторно-
му упору (ориентировочные значения см. в табл. 6.3); Ду — торцовое
биение режущих кромок зубьев фрезы в соответствии с ГОСТом.
Для размерной настройки инструмента вне станка используются
специальные приборы. Резцовый блок (державка) закрепляется на
подставке, перекрестие проектора устанавливается на требуемые ко-
ординаты вершины инструмента в поперечном и продольной направ-
лениях. Режущий инструмент закрепляют в державке и с помощью
6.7. Кодирование инструментов	199
регулировочных элементов смещают его вершину так, чтобы ее про-
екция попала в перекрестие, а проекции режущих кромок совпали
с соответствующими линиями перекрестия экрана (рис. 6.40). При-
боры имеют пульт с устройством цифровой индикации, с помощью
которого ведется отсчет по двум координатам.
Рис. 6.40. Изображение вершины инструмента на экране проектора
при настройке инструмента на размер
Более совершенны устройства на микропроцессорах. В таких
приборах после установки инструмента в базирующем устройстве
положение его режущей части фиксируется с помощью оптических
сканирующих щупов. Микропроцессор по специальной программе
определяет координаты вершины и вносит их в магнитную метку на
корпусе инструмента. После установки в инструментальном магази-
не станка эти сведения считываются для соответствующей коррек-
ции программы обработки.
6.7.
Кодирование инструментов
Для распознавания конкретного инструментального блока в ус-
ловиях ГПС необходимо обеспечить его кодирование. Применяют
различные методы распознавания блоков: 1) без кодирования, но
с расположением инструментов в последовательности обработки;
2) кодирование оправки инструмента; 3) кодирование гнезд магази-
на (постоянное, переменное).
200	6. Инструментообеспечение ГАП
Первый вариант используется при небольшом количестве инст-
рументов и отсутствии повторного использования в одном цикле
обработки. Инструментальные блоки в этом случае располагаются
в магазине или револьверной головке в соответствии с технологиче-
ским процессом. Такая система поиска инструмента допускает про-
пуски гнезд, оставляя их без инструментов. После каждого цикла
смены инструмента магазин совершает поворот до подхода в пози-
цию загрузки-выгрузки следующего инструмента. После выполне-
ния всех операций обработки окажется, что инструменты сохранили
первоначальную последовательность, сместившись в магазине на
один или несколько шагов по сравнению с исходным положением.
Но в большинстве случаев желательно наличие системы автома-
тического поиска инструментов при любом расположении их в мага-
зине, независимо от последовательности выполнения работ.
Кодирование оправок осуществляется с помощью установки на-
бора кодовых колец (рис. 6.41), от которых при движении магазина
с оправками считывающее устройство получает сигнал (подобно тому,
как для разных дверных замков делают ключи с различным сочета-
нием выступов и впадин).
1	2 3	4
Рис. 6.41. Размещение кодовых колец на инструментальной оправке:
1 — хвостовик; 2 — промежуточное кольцо; 3 — кодовое кольцо; 4 — штырь
При повороте магазина оправка, проходя мимо конечного выклю-
чателя-датчика, замыкает кольцами его контакты-щупы (рис. 6.42).
При совпадении кода оправки, т.е. комбинации колец, с кодом, за-
писанным в программе обработки, магазин останавливается. При
этом гнездо магазина с требуемым инструментом будет находиться в
позиции смены инструмента. Поиск инструмента при вращении ма-
газина осуществляется во время работы станка.
Применение набора из 15 колец позволяет обеспечить кодирова-
ние 32 767 инструментов без повторения кода. Кодирование инстру-
ментов выполняется в двоично-десятичной системе, кодовые кольца
размещаются по дорожкам с весами 1, 2, 4, 8 для разряда единиц
6.7. Кодирование инструментов
201
Рис. 6.42. Считывание информации с помощью контактов-щупов
и отдельно для разряда десятков. Такая система позволяет распола-
гать инструменты в любом гнезде магазина, резко сокращает воз*
можность ошибок при загрузке магазина, облегчает обслуживание
станка. Для смены инструмента магазин поворачивается только один
раз, что упрощает управление. Вместе с тем этот простой и надежный
способ кодирования усложняет изготовление оправок и вызывает
снижение их жесткости и точности обработки вследствие удлинения
оправок, что приводит к некоторому увеличению массы оправок
и ухудшению динамических качеств механизма поворота магазина.
Кроме того, при большом числе инструментов увеличивается время
поиска (при отсутствии реверса), невозможна смена инструментов
больших диаметров с пропуском двух соседних гнезд.
Для повышения надежности кодирования инструментов исполь*
зуется система штриховых кодов (см. п. 5.5.1). На этикетки, на*
клеиваемые на оправки инструментов, специальным печатающим
устройством наносится определенная кодированная последователь-
ность штрихов, которая содержит информацию о номере инстру-
мента, координатах его вершины, возможной стойкости и др.
Использование штрихового кода позволяет повысить скорость вво-
да информации в систему управления минимум в 3 раза, увеличивает
достоверность полученных системой данных. Если оператор при вводе
информации делает в среднем одну ошибку на 300 символов, то устрой-
ство ввода штрихового кода «ошибается» один раз на 15—100 тыс. сим-
волов. Система надежно работает в цеховых условиях и не подверже-
на воздействию СОЖ.
Все более широкое распространение получают системы кодирова-
ния инструментов с помощью малогабаритных микросхем, вмонти-
202	6. Инструментообеспечение ГАП
рованных в инструмент. Как и в предыдущем случае, кодируется
информация о номере инструмента, координатах его вершины, инст-
рументальном материале, геометрических параметрах, стойкости,
рекомендуемых режимах резания и др. Считывание информации
осуществляется за миллисекунды с помощью индуктивной считы-
вающей головки, которая монтируется в захвате робота. Головка
имеет связь с управляющим устройством, а оно, в свою очередь, —
с компьютером (рис. 6.43). Таким образом, с помощью штрихового
кода, микросхем осуществляется дистанционная идентификация
(распознавание на расстоянии) инструментов и управление их пере-
мещениями.
Рис. 6.43. Размещение электронного чипа на оправке
и считывание информации:
1 — чип; 2 — считывающе-записывающая головка; 3 — входы для записи и считы-
вания; 4 — система управления записью и считыванием; 5 — интерфейсы
При кодировании гнезд магазина (рис. 6.44) команда для его ос-
танова в определенной позиции с необходимым инструментом пода-
ется ключом 1, вставленным в магазин напротив соответствующего
инструмента, или комбинацией штифтов (кулачков) 2, воздействую-
щих на микропереключатели и считывающие устройства. Ключи
имеют вид пластин или валиков с проточками. Кодирование гнезд
магазина может быть постоянным и переменным. Постоянное коди-
рование характеризуется тем, что во избежание ошибки при уста-
6.8. Транспортирование инструментов
203
новке инструмента в гнездо оправки предусмотрены устройства для
механической блокировки, т.е. каждая оправка может быть вставле-
на только в свое гнездо.
Рис. 6.44. Схема кодирования гнезда магазина с помощью ключей (а)
и кулачков (б)
При переменном кодировании в системе настраиваются коды гнезда
и инструмента, который вставляется в это гнездо. Кодирование гнезд
получило применение в связи с удешевлением инструментальных
оправок и повышением их жесткости, некоторым уменьшением вре-
мени поиска инструмента вследствие возможности выбора кратчай-
шего пути для вращения магазина, возможности применения увеличен-
ных диаметров инструментов с пропуском двух соседних гнезд.
Тем не менее следует отметить, что при кодировании гнезд мага-
зина усложняется цикл смены инструментов, так как при каждой
смене необходимо дважды выполнять поиск нужного гнезда: один
раз для сменяющего инструмента, второй — для сменяемого. При
постоянном кодировании гнезд усложняется и удорожается изготовле-
ние оправок, поскольку каждая из них должна иметь индивидуальное
средство блокировки. При переменном кодировании введение допол-
нительных средств кодирования инструментов усложняет систему
и затрудняет обслуживание.
6.8.
Транспортирование инструментов
В условиях ГАП используются различные транспортные системы
для автоматической подачи нового инструмента и удаления изно-
шенного или поломанного, обеспечивающие возможность работы по
безлюдной технологии. Станки могут оснащаться дополнительными
(буферными) накопителями, инструменты из которых автоматически
204
6. Инструментообеспечение ГАП
заменяются в магазинах станков. Дополнительные магазины с авто-
операторами могут быть установлены непосредственно на станке
(рис. 6.45) либо в виде отдельных агрегатов, установленных около
станка и обслуживающих один станок. Используются многоярусные
накопители барабанного типа, в которых устанавливается 5 или 10
одинаковых инструментальных надставок в 12 или 24 позициях
(рис. 6.46, а). При выходе инструмента из строя автооператор берет
надставку из следующего яруса. Дополнительные накопители могут
обслуживать также группу станков; в этом случае они устанавлива-
ются вдоль линии станков позади них. Замена инструментов в мага-
зинах станков осуществляется одним портальным автооператором.
Накопители могут быть также объединены с шестипозиционными
кассетами, в которых установлены определенные группы режущего
инструмента (рис. 6.46, б).
Рис. 6.45. Система смены инструментов токарного многоцелевого
станка Heynumat 35:
1 — основной магазин; 2 — линейный робот-манипулятор; 3 — промежуточный
магазин; 4 — инструментальная головка
Для транспортирования инструментов между центральным мага-
зином, расположенным под станком, и магазином инструментов станка
служит специальное подъемное устройство с кассетами, обеспечиваю-
щее вертикальное перемещение инструмента. Загрузка-выгрузка кас-
сет и передача инструментов в магазины станков осуществляется
с помощью автооператора.
Применяют также сменные инструментальные магазины. Авто-
матическая смена осуществляется на станках в момент смены заго-
товок. Установленный ранее магазин снимается, и устанавливается
новый с инструментами для данной детали, что позволяет заранёе
подготовить все инструменты вне станочной системы. При этом воз-
6.8. Транспортирование инструментов
205
а	б
Рис. 6.46. Накопители режущих инструментов
можна работа по принципу: одно наименование детали — один мага-
зин. В накопителе может находиться до пяти магазинов. Магазины
из накопителя автоматически устанавливаются на станок и обратно
в накопитель.
Склады-магазины для инструмента могут быть различных конст-
рукций и типов, например инструментальные магазины кассетного
типа, стеллажного, карусельного, магазины, конструкция которых
напоминает соты, и др. Наиболее широко применяются стеллажи-на-
копители и склады-магазины, представляющие собой многорядные
цепные магазины инструментов с перемещением цепи в горизон-
тальной или вертикальной плоскости.
В ГПС может быть использована автоматизированная подача тре-
буемого инструмента со склада в магазин станка для обработки но-
вой детали и удаления из магазина поломанного или изношенного
инструмента с помощью автоматической тележки (робокара) с мага-
зином инструментов и автооператором. Для этой цели применяют
магазины, установленные на автоматической тележке. На складе
магазин тележки комплектуется инструментами. По окончании обра-
ботки партии заготовок тележки перемещаются к станку, где фикси-
руются в требуемом положении. Во время работы станка инструмент
из магазина, установленного на тележке, заменяется в магазине
станка или шпинделя автооператором станка. При этом управление
автооператором осуществляется от системы ЧПУ станка.
206
6. Инструментообеспечение ГАП
Траектория движения тележки определяется направляющим
элементом, установленным на полу или под полом цеха. Тележка
направляется и позиционируется по командам отдаленного центра
управления, которые могут поступать от оператора или управляю-
щей программы из компьютера. В настоящее время используются
два вида направляющих элементов: электромагнитный и оптиче-
ский.
Большая часть автоматических тележек имеет индукционное
управление по электрическому кабелю, уложенному под полом по
всей длине маршрута тележки и обеспечивающему управление тележ-
кой, т.е. удержание ее в проезжей колее. В бетонном полу в гермети-
зированном пазу глубиной 20...32 мм и шириной 3...10 мм проклады-
вается электрический кабель. Одновременно можно использовать
один или несколько кабелей. Кабель образует замкнутый контур, по
которому пропускается переменный ток частотой 3...32 кГц. При
этом создается магнитное поле с концентричным расположением си-
ловых линий, которые взаимодействуют с витками катушек индук-
тивности, смонтированными на тележке. Электронное устройство
рулевого управления тележки сравнивает напряженность магнитного
поля двух приемных катушек. При возникновении рассогласования
вырабатывается сигнал, который подается в электронное устройство
рулевого управления для определения направления движения те-
лежки. При разветвленных маршрутах программа движения робо-
кара задается с пульта электронного устройства, расположенного на
самой тележке, или центрального пульта управления. Применяются
также генераторы разных частот при обслуживании тележек прием-
ными контурами индуктивной связи, настроенными на соответст-
вующую частоту.
Применяют индуктивное управление двух видов: амплитудное
и фазовое. При отклонении тележки от траектории над кабелем вле-
во или вправо значение амплитуды сигнала уменьшается по сравне-
нию с тем, которое имело место при движении тележки над ведущим
кабелем. Амплитуды и фазы сигналов обрабатываются в системе
управления тележкой, где генерируются сигналы коррекции для
сервомеханизмов рулевого управления.
Система управления робокаром держит чувствительный элемент
(антенну) 2 над максимально напряженным магнитным полем —
над кабелем 1 (рис. 6.47). При отклонении тележки от правильного
направления происходит изменение напряженности магнитного
поля, что вызывает в системе управления корректирующий сигнал,
который, в свою очередь, вызывает подачу исполнительного сигнала
6.8. Транспортирование инструментов
207
Рис. 6.47. Схема управления робокаром
на управляющие двигатели 3. Корректирующее движение тележки
обусловлено разными скоростями вращения ведущих колес 4, т.е.
принудительным управляющим движением. Такой принцип управ-
ления обеспечивает следование тележки над проложенным в полу
кабелем. Отклонение влево от заданной траектории вызывает вклю-
чение электродвигателей, которые возвращают тележку на заданную
траекторию. Повороты, остановки и пуски приводных двигателей на
всем пути движения тележки выполняются автоматически.
При наличии разветвленной трассы на стрелках пути, где кабель
расходится в двух и более направлениях, для передвижения тележ-
ки используют несколько способов. В различные кабели подаются
сигналы разных частот; применяют также способ, при котором сиг-
нал подается только в один кабель.
Используют системы управления тележками трех видов: ручное,
дистанционное и от компьютера. Для ручного управления на тележ-
ке монтируется панель с кнопками, тумблерами или клавиатурой.
После погрузки (разгрузки) оператор вводит адрес следующей стан-
ции назначения. На следующей станции оператор манипулирует па-
нелью управления и задает новый адрес и т.д. Недостатком ручного
управления является большая вероятность ошибок оператора.
При дистанционном управлении оператор передает команды
тележке с отдельного пульта. Этот метод повышает коэффициент
использования оборудования по сравнению с ручным, но также под-
вержен сбоям из-за ошибок оператора.
Управление от компьютера является наиболее дорогостоящим,
однако обеспечивает максимально высокий коэффициент использова-
ния оборудования, максимальную гибкость производственной системы
и точность работы, поэтому область его применения постоянно рас-
ширяется.
208
6.9?
6. Инструментообеспечение ГАП
Автоматическая смена изношенных
инструментов
Высокую надежность автоматизированного оборудования можно
обеспечить путем использования современных инструментальных
материалов при соответствующих режимах резания, а также автома-
тической смены инструментов, отработавших свой регламентирован-
ный период стойкости, предварительно подготовленными дублерами.
Количество дублеров определяется гарантированным отсутствием
отказов и зависит от загрузки инструментов во время выполнения
операции и их стойкости.
Общее число инструментов для обработки нескольких партий
деталей складывается из рабочих инструментов и дублеров, необходи-
мых для обработки каждой партии заготовок с учетом взаимозаме-
няемости отдельных инструментов.
В связи с увеличением числа инструментов, размещаемых в инст-
рументальных магазинах, и ростом затрат времени на их смену возни-
кает необходимость в значительном увеличении вместимости магази-
нов и создании новых систем автоматической смены инструментов.
Анализ компоновок инструмента и узлов его крепления на станке
показывает, что при износе инструмента можно заменять либо непе-
ретачиваемую режущую пластину, либо головку режущего инстру-
мента вместе с пластиной, либо режущий инструмент в сборе со вспо-
могательным инструментом.
Несмотря на компактность сменяемых элементов, автоматиче-
ская смена режущих пластин нашла ограниченное применение из-за
невозможности автоматизации замены всех применяемых режущих
пластин, различающихся по геометрии и типам крепления. При этом
способе не решается вопрос автоматической смены осевых инстру-
ментов.
Для автоматической смены режущих инструментов необходимо
их специальное соединение с державками, к которому предъявляются
следующие требования: компактность, точность крепления и стабиль-
ность, достаточная жесткость и универсальность, наличие поверхно-
стей для захвата манипулятором, быстросменность и возможность
размещения кодирующих элементов для идентификации головок
системой управления и ориентации режущей кромки в различных
направлениях, технологичность в изготовлении и возможность встраи-
вания в стандартные системы крепления инструмента на станках.
6.9. Автоматическая смена изношенных инструментов
209
Применительно к условиям автоматизированной обработки деталей
сокращение простоев оборудования, связанных со сменой инструмен-
тов, достигается за счет использования механизмов их автоматической
смены. При использовании механизмов автоматической смены режу-
щего инструмента исходят из следующих положений:
□	автоматически сменяемый инструмент должен быть предвари-
тельно настроен;
□	желательно использовать силы резания для частичного или
полного закрепления инструмента;
□	смена инструмента должна производиться в период прекраще-
ния выполнения им своих рабочих функций, т.е. во время холостых
ходов;
□	для смены инструмента могут быть использованы цикловые
движения на станке или специальные механизмы;
□	заполнение и смена магазина инструментов должны произво-
диться без остановки станка;
□	для станков, предназначенных для точной обработки деталей,
следует одновременно прорабатывать вопросы автоматической под-
наладки и смены инструмента.
Рассмотрим примеры механизмов автоматической смены затупив-
шегося режущего инструмента. На рис. 6.48 показана схема механиз-
ма для автоматической смены резцов 19 предварительно вложенных
в магазин 2. При перемещении в гидроцилиндре 5 поршня 4 с толка-
телем 3 вправо очередной резец под действием силы тяжести падает
из магазина на загрузочную площадку. В крайнем правом положе-
нии шток 7 поворачивает рычаг 8, перемещая ползун 6 с упором 9,
А
Рис. 6.48. Схема устройства для автоматической смены проходных резцов
210
6. Инструментообеспечение ГАП
продвигающим изношенный резец вперед. Сферическая головка регу-
лировочного винта разжимает подпружиненные шарики 10, и резец
освобождается, затем поршень перемещается влево, и толкатель 3
передвигает резец с загрузочной площадки в мерный паз державки.
Новый резец, перемещаясь, выталкивает затупленный резец в сбор-
ник изношенных инструментов. Подпружиненные шарики 10 при-
жимают регулировочный винт резца к торцу толкателя, который
воспринимает радиальную составляющую силы резания.
На рис. 6.49 показана схема устройства для смены пальцевых
фрез, применяемых для закругления зубьев зубчатых колес. При
подаче сигнала на смену инструмента включается соленоид 9, и от-
кидной копир 8, поворачиваясь, занимает положение «замена». По
окончании резания шпиндельная бабка 3 перемещается, и рычаг 6
находит на скос откидного копира 8, вследствие чего цанга разжима-
ется. Шпиндельная бабка с разжатой цангой и фрезой продолжает
перемещаться в исходное положение; при этом толкатель 7 откидно-
го копира передвигает фрезы, которые подаются из кассеты 5. После
этого они передвигаются в трубе цанги на величину хода бабки. Из-
ношенная фреза падает в сборник, а новая занимает ее место. Далее
при перемещении шпиндельной бабки на рабочую позицию рычаг 6
сходит с копира, цанга сжимается под действием пружины 4, а новая
фреза 1 из кассеты 5 поступает в приемник. Необходимая точность
осевого положения фрезы обеспечивается откидным упором 2. Дос-
Рис. 6.49. Схема устройства для автоматической смены
зубозакругляющих фрез
6.10. Управление системой инструментообеспечения	211
тоинством рассмотренного устройства является смена инструмента
без остановки вращения шпинделя.
Некоторые конструкции устройств автоматической смены и кре-
пления режущего инструмента приведены в п. 6.2.2. Использование
механизмов автоматической смены инструментов позволяет снизить
переменную долю себестоимости операции в 1,6 раза за счет сокра-
щения затрат, связанных со сменой затупившегося инструмента.
Управление системой
ЩД инструментообеспечения
При возрастании количества станков в ГПС большое значение
приобретает надежность управления системой их инструменто-
обеспечения. Для разработки технологических процессов обработ-
ки деталей в условиях ГПС необходимо иметь информацию обо всех
используемых инструментах, причем как постоянную (габариты,
инструментальный материал, геометрия и т.д.), так и переменную
(изменения в результате эксплуатации, запас стойкости и др.). Эти-
данные передаются на соответствующий ГПМ с помощью компьюте-
ризованной системы управления (рис. 6.50). В состав такой системы
входят:
□	носители информации о каждом инструменте (штриховые или
электронные коды);
Рис. 6.50. Схема управления системой инструментообеспечения
212	6. Инструментообеспечение ГАП
□	считывающие и записывающие электронные головки (скане-
ры) с соответствующими усилителями сигналов;
□	места считывания информации, подключенные к системе управ-
ления станка либо к центральному компьютеру;
□	центральный компьютер для сохранения данных об инстру-
ментах и передачи их в ячейки ГПС с соответствующими интер-
фейсами;
□	необходимое программное обеспечение.
Возможны два принципа функционирования системы компью-
терного управления:
1) на инструментальном блоке записан только номер инструмента;
при его считывании центральный компьютер посылает на станок всю
необходимую информацию; при возврате инструмента в магазин новая
информация об инструменте передается от станка на компьютер;
2) на инструментальном блоке записаны все сведения об инстру-
менте; информация считывается в магазине; после работы при воз-
врате инструмента в магазин происходит запись новой информации
с одновременной передачей ее центральному компьютеру.
Компьютер, обеспечивающий управление СИО, выполняет целый
ряд заданий, в том числе связанных с подготовкой производства.
В этом случае после получения информации о будущей обработке он
анализирует наличие потребных для этого инструментов и оснастки
и в случае необходимости формирует заказ на проектирование и из-
готовление специальных инструментов, а также на сборку новых ин-
струментальных блоков, их транспортирование и т.д.
В результате функционирования центрального компьютера фор-
мируется электронная картотека режущих инструментов и оснаст-
ки, в которой записаны все сведения о наличии инструментов, их
технологических возможностях, запасе стойкости и т.п. В случае не-
обходимости эта информация может быть распечатана.
Литература
1.	Schulz Н. Hochgeschwindigkeitsbearbeitung: High-Speed Machining I
H. Schulz. Munchen; Wien: Carl Hanser Verlag, 1996. 286 s.
2.	Кузнецов Ю.И. Оснастка для станков с ЧПУ / Ю.И. Кузнецов,
А.Р. Маслов, А.Н. Байков. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.
3.	Rivin E.I. Tooling System: Interface between Cutting Edge and Machine
Tool / E.I. Rivin // Annals of CIRP. 2000. V. 49. № 2. P. 591—634.
4.	Week M. Spindle and Toolsystems with High Damping I M. Week,
N. Hennes, M. Kreil // Annals of CIRP. 1999. V. 48. № 1. P. 297—302.
Литература	213
5.	Huston M.F. Cutting Materials, Tools, Market Trends in USA /
M.F. Huston, G.W. Knobeloch // VDI Berichte. 1998. № 1399. P. 21—53.
6.	Koren Y. Design of Precision, Agile Line Boring Station / Y. Koren,
Z.J. Pasek, P. Szuba // Annals of CIRP. 1999. V. 48. № 1. P. 313—316.
7.	Украженко KA. Тенденции развития модульных инструментальных
систем / К.А. Украженко // СТИН. 2001. № 5. С. 21—22.
НАДЗОР И ДИАГНОСТИКА В ГИБКИХ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМАХ
Обшие сведения о надзоре и диагностике
технологических машин
7.1.1.	Методология технической диагностики
Принцип действия каждой системы технической диагностики
заключается в приеме, переработке и отправке определенной последо-
вательности сигналов, несущих информацию о возникших погрешно-
стях работы машины. В зависимости от назначения и уровня сложности
количество сигналов может быть различным.
Среди входных сигналов можно выделить:
□	цифровые или аналоговые, на основании которых определяет-
ся состояние контролируемого объекта либо процесса;
□	сигналы, поступающие от системы управления и изменяющие
условия функционирования объекта (время и скорость перемещения
узлов, начало и конец цикла диагностики и др.).
Современные системы надзора и диагностики основаны на ис-
пользовании компьютеров. Это означает необходимость преобразо-
вания первичных сигналов, генерируемых датчиками, в цифровую
форму. Аналого-цифровые преобразователи работают в определен-
ном диапазоне частот, в зависимости от условий генерирования сиг-
нала (табл. 7.1).
Таблица 7.1
Граничные частоты аналоговых сигналов	[1]
Назначение сигнала	Частота сигнала
Медленно изменяющиеся сигналы (регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока)	150 Гц
Сигналы о частотах вращения элементов привода	500 Гц
Сигналы о колебаниях узлов станка	1000 Гц
Сигналы в диапазоне звуковых частот (колебания режущего инструмента, шумы)	20 кГц
Сигналы в диапазоне ультразвуковых частот (акустическая эмиссия)	1 МГц
7.1. Общие сведения о надзоре и диагностике технологических машин 215
Среди цифровых сигналов, формируемых аналого-цифровыми
преобразователями, можно выделить:
□	единичные сигналы типа «да — нет», подтверждающие дости-
жение определенного положения;
□	группы таких сигналов, формирующих определенную инфор-
мацию, например величины перемещений, номера инструментов
ит.д.;
□	непрерывный ряд импульсов в течение определенного време-
ни, например от устройств измерения скорости.
Каждая из этих групп требует соответствующих интерфейсов
и дополнительных электронных систем, обеспечивающих взаимо-
действие с компьютером. Для первых двух групп обычно использу-
ются только два сигнала: 1 — да или О — нет, которые сравниваются
с эталонной записью в памяти компьютера. Для сигналов третьей
группы используются устройства отсчета времени (подсчет количе-
ства импульсов в течение определенного времени).
Решение, основанное на диагностике, принимается путем сравне-
ния результата измерения с постоянной величиной, занесенной
в память компьютера, а также непосредственно оператором. Такое
решение проявляется в виде:
□	сигнала о возникшей неисправности (надпись на мониторе сис-
темы управления, звуковой или световой сигнал);
□	выключения станка и его отдельных узлов либо включения ре-
зервных устройств;
□	изменения условий работы (смена инструмента, регулирова-
ние режима резания);
□	сообщения о причинах и месте возникновения неисправности.
7.1.2.	Структура и задачи систем надзора
и диагностики ГПС
Задачи, стоящие перед системой диагностики, могут быть реали-
зованы в зависимости от времени контроля.
Непрерывный контроль выполняется в течение всего времени
работы системы. В качестве примера можно привести контроль силы
тока в двигателях станка, контроль сил резания, автоколебаний и т.д.
Контроль с короткими перерывами основан на измерении оп-
ределенных параметров в течение коротких отрезков времени или
для каждой детали (например, измерение ее размеров).
Диагностика по прохождению средних отрезков времени вы-
полняется для определенных узлов или систем (управления, гидрав-
216	7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах
лической, охлаждения и т.п.) в начале каждой рабочей смены или
при запуске новой партии деталей.
Диагностика со значительными перерывами выполняется в ходе
регламентных работ либо длительных перерывов в функционирова-
нии станка. В этом случае проверяется техническое состояние станка
и его узлов.
Диагностика по указанию производится после аварии либо по
решению оператора и служит для проверки исправности функцио-
нирования станка.
В условиях работы ГПС можно выделить следующие направле-
ния диагностики:
□	для станков, систем управления, технологических приспособ-
лений — контроль состояния узлов и систем, перемещений деталей
и режущих инструментов и т.д.;
□	для режущих инструментов — идентификация, контроль из-
носа, коррекция износа, определение положения вершины и т.д.;
□	для процесса обработки — измерение взаимных колебаний ин-
струмента и детали;
□	для обрабатываемых деталей — идентификация, контроль про-
странственной ориентации, контроль размеров и предельных откло-
нений.
Дополнительно выполняется также сервисное обслуживание —
тестирование узлов и систем с целью выявления неисправностей и пре-
дотвращения аварий.
Все системы диагностики можно условно разделить на три группы:
1)	специализированные системы для контроля одного или не-
скольких конкретных явлений; такие системы могут быть разрабо-
таны и представлены по специальному заказу;
2)	универсальные системы, условия работы которых можно изме-
нить путем перепрограммирования;
3)	системы диагностики, объединенные с системой управления.
Диагностика металлорежущих станков
7Ж
и технологической оснастки
7.2.1.	Задачи и принцип действия системы диагностики
Работая в условиях безлюдного производства, ГПС должны иметь
высокие надежность и точность работы. Поэтому входящие в состав
ГПС технологические машины и устройства должны включать
7.2. Диагностика металлорежущих станков и технологической оснастки 217
системы надзора и диагностики, которые призваны обеспечивать
длительную и надежную работы ГПС и требуемое качество обрабаты-
ваемых деталей.
Диагностика ГПС осуществляется в двух направлениях: контроль
за правильностью функционирования системы в целом во время рабо-
ты или холостых ходов и контроль состояния узлов и механизмов.
Выбор и состав системы диагностики определяется информацией
о наиболее часто наблюдаемых аварийных ситуациях и их послед-
ствиях, времени простоев оборудования, стоимости запчастей и тру-
доемкости ремонтов, влиянии того или иного узла на качество
продукции и безопасность работы персонала. Некоторые сведения
о времени ремонтов и простоев ГПМ в зависимости от отказов раз-
личных его узлов и систем приведены в табл. 7.2.
Таблица 7,2
Соотношение (%) относительного времени ремонтов и простоев ГПМ
и частоты отказов его узлов и систем [2]
Узел, система ГПМ	Частота отказов	Время	
		простоев	ремонтов
Микровыключатели	31	30	10
Шпиндельный узел	8	15	46
Система управления	13	34	20
Двигатель главного движения	7	8	20
Режущий инструмент	41	13	4
На основании таблицы можно сделать вывод о важности кон-
тролирования состояния шпиндельного узла, который требует зна-
чительного времени на ремонт и вызывает длительные простои
оборудования. Следует добавить, что в общем времени простоя до
80 % приходится на время выяснения причины неисправности
и только 20 % — на ее устранение [3, 4].
Диагностирование станков, с ЧПУ основано на теории системного
анализа сложных систем управления. Первый этап анализа — разра-
ботка иерархической структуры станка. Такая структура для токар-
ного ГПМ показана на рис. 7.1. На первом уровне иерархии выделены
формообразующая, управляющая и вспомогательная подсистемы,
на втором — приводы, подсистемы программного управления, систе-
мы смены заготовки и инструмента, подачи СОЖ и т.п. Подсистемы
третьего уровня — это функциональные блоки. Далее разрабатыва-
ются математическая модель диагностирования объекта и алгорит-
мы принятия решений.
Рис. 7.1. Иерархическая структура токарного ГПМ:
Д — двигатель; РП — ременная передача; Шп — шпиндель; ДСВ — датчик ско-
рости вращения; Т — тормоз; ШВП — шарико-винтовая пара; Тг — тахогенера-
тор; К — каретка суппорта; ДКП — датчик крайнего положения; ДОС — датчик
обратной связи; Рд — резцедержатель; РИ — режущий инструмент; ФСУ — фо-
тосчитывающее устройство; ПУ — пульт управления; УСО — устройство связи
с объектом; БА — блок автоматики; М — магазин; Мп — манипулятор; П — па-
трон; Пр — привод револьверной головки; РГ — револьверная головка; СУ —
схема управления; ИУ — исполнительные устройства
Системы надзора и диагностики правильности работы станка свя-
заны с системами ЧПУ. Они обеспечивают проверку наличия обратных
связей между системами станка (например, отсутствие непрерывной
информации о положении узла станка вызывает быстрое неконтро-
лируемое перемещение стола), а также взаимного расположения узлов
станка во времени и в пространстве (соответствует ли расположение
узлов и последовательность их работы заданному циклу). При вы-
полнении заданного цикла система контроля ожидает его окончания
7.2. Диагностика металлорежущих станков и технологической оснастки 219
(сигнала от соответствующего микровыключателя о нахождении
в требуемой позиции). Отсутствие сигнала вызывает реакцию системы.
Если система ЧПУ не может скорректировать выявленное несоответ-
ствие, на мониторе появляется код ошибки либо текстовая информа-
ция о неисправности.
Для наиболее быстрого определения причин отказа широко ис-
пользуется так называемое граф-дерево ошибок (рис. 7.2). Для его
построения необходимо составить перечень: основных элементов
и узлов станка; действий, которые должны быть правильно выпол-
нены; повреждений, в результате которых станок не может правиль-
но выполнить то или иное действие; условий работы, вызывающих
повреждение.
Рис. 7.2. Принцип построения графа-дерева ошибок [1]
Повреждения и их причины рассматриваются как происшествия.
Они могут быть записаны в виде соответствующего графа, ветви ко-
торого описывают существующие причинно-следственные связи. На
основе графа можно определить, какие причины вызвали наблюдае-
мую ошибку.
Для диагностики состояния элементов и узлов станка могут быть
использованы так называемые экспертные системы.
220	7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах
7.2.2.	Диагностика основных узлов и элементов станка
Диагностика привода главного движения. Для этого часто исполь-
зуется информация о потерях мощности холостого хода. Эти потери
зависят от частоты вращения двигателя, пройденного расстояния,
состояния подшипников, условий смазывания, температуры и т.д.
Информация о потерях, измеренных в условиях стабильной работы
станка, может храниться в памяти системы диагностики как эталон-
ное значение. Увеличение потерь мощности в течение длительного
времени позволяет сделать предположение об ухудшении состояния
подшипников или коробки скоростей. Мгновенное и значительное
возрастание потерь свидетельствует об аварийных ситуациях (по-
ломки элементов привода, отсутствие охлаждения и т.п.).
Другой величиной, используемой для контроля привода, являет-
ся частота вращения шпинделя. Ее контроль обеспечивает проверку
правильности работы системы управления приводом, механизмов
переключения скоростей (муфт, блоков колес) и передачи мощности
(зубчатые и ременные передачи и т.п.). Одновременное измерение
частоты вращения и мгновенной мощности позволяет определить
момент на шпинделе и предохранить привод от перегрузок. Предо-
хранить привод от перегрузок можно также путем контроля сил
и момента резания (см. § 7.3).
Диагностика привода подачи. Примером может служить диагно-
стика сервоприводов подачи. Они состоят из электрических, механи-
ческих и электронных подсистем. Структура системы для тестирова-
ния таких приводов приведена на рис. 7.3. Тестирование основано на
анализе ответа на посланный тестовый сигнал со стороны тех подси-
стем, которые могут регулировать параметры сервопривода (регу-
лятор скорости, ограничитель динамических токов, механическая
подсистема).
Рис. 7.3. Структура тестера для контроля сервоприводов подачи [5]
Таблица 7.3 * Параметры устройств для виброакустической диагностики подшипников качения [1]	|					
Модель	Частота вращения подшипника, об/мин	Диапазон частот, Гц ’	Нагрузка, Н	Измеряемый параметр колебаний	Габаритные	। размеры подшипников, мм
Bendi (США)	1800	50...300 300...1800 1800...10 000	—	Скорость	d>3;	! 8<D<150	|
NSK (Япония)	1800	50...300 300... 1800 1800... 10 000	60...140	То же	d>4;	j D < 170	|
МЕВ-17А, MVH-90B (Швеция)	1800	50...300 300...1800 1800...10 000	0...250	»	DOO	j
SM-4,MGG-10, MGG-11 (Германия)	1650	40...300 300...1800 1800...10 000	—	»	3 < d < 100	1 1 	 i
GPA, GPH (Австрия)	—	50...300 300...1800 1800...10 000	—	»	—
GPW-6 (Австрия)	1800	70...360 360...1900 1900...10 000	—	Скорость, ускорение	—
.2. Диагностика металлорежущих станков и технологической оснастки 22
222
7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах
Диагностика состояния подшипников качения. Во многих случа-
ях подшипники качения определяют условия работы станка. Выяв-
ление их дефектов в рамках сервисного обслуживания основано на
анализе уровня температур, сопротивления движению, возникнове-
ния колебаний, уровня шума, загрязнения смазочных материалов,
изменений интенсивности акустической эмиссии, однако наиболее
часто контролируются температура, колебания и шумы.
Температура подшипников должна быть не выше рекомендуемой.
Увеличение ее на 10...20 °C уже свидетельствует о нарушениях в работе
(плохое смазывание или механическое повреждение). Сравнивая усло-
вия нагревания подшипников с типовыми, можно выявить неисправ-
ности соответствующего узла. Температура измеряется с помощью
специальных устройств (пирометры, тепловизоры, закладные тер-
мопары и т.д.).
В случае использования виброакустического метода измеряют
и анализируют спектр механических или звуковых колебаний, гене-
рированных системой при определенной частоте вращения. В случае
работы сложных подшипниковых узлов, например шпиндельных,
за эталонный может быть принят спектр колебаний нового узла с ам-
плитудами, увеличенными на 20 %. При достижении этого уровня
необходимо более тщательно проанализировать работу подшипни-
ков и либо заменить их, либо установить новый эталонный уровень
колебаний. В табл. 7.3 приведены параметры устройств различных
фирм для виброакустической диагностики подшипников.
7.2.3.	Предотвращение аварийных ситуаций
Аварийные ситуации, приводящие к значительным потерям вре-
мени и финансовых средств, возникают по различным причинам.
Согласно [4] ошибки в управляющей программе вызывают 13 % ава-
рий, ошибки в наладке и установке нулевых точек — 21, ошибки
оператора — 20, ошибки в выборе режущих инструментов и введе-
нии информации о них — 17, отказы системы управления и электри-
ческой системы — 26, отклонения в размерах заготовок — 3 %.
В случае разработки технологического процесса обработки детали
с помощью компьютера ошибки программирования и наладки станка
можно исключить, а ошибки, связанные с режущими инструмента-
ми, — существенно ограничить, выводя на экран монитора «симуля-
цию» движений инструментов в ходе обработки. Для предотвращения
аварий вследствие действий оператора (ручное перемещение узлов
и т.п.) в кинематические цепи станка встраивают дополнительные
предохранительные муфты либо используют системы диагностики
режущих инструментов, основанные на контроле уровня сил резания.
73. Диагностика режущих инструментов и процесса обработки	223
Диагностика режуших инструментов
и процесса обработки
7.3*
7.3.1.	Задачи системы диагностики
Ранее (см. табл. 7.2) отмечалось, что на долю режущих инстру-
ментов приходится более 40 % общего количества отказов ГПС. Это
свидетельствует о необходимости контроля их состояния (текущей
работоспособности) с целью быстрого принятия решений. В общем
случае могут быть приняты следующие^эешения:
□	выключить станок (наиболее простой и радикальный способ);
□	изменить соответствующие кадры управляющей программы
станков с ЧПУ;
□	выполнить коррекционные перемещения инструментов;
□	заменить работающую вершину инструмента;
□	изменить подачу или частоту вращения шпинделя станка
с адаптивным управлением;
□	заменить заготовку, не пригодную для обработки.
Наиболее эластичным направлением в контроле режущих инстру-
ментов является мониторинг (непрерывный контроль). Все методы
диагностики текущей работоспособности режущих инструментов мож-
но условно разделить на четыре группы (табл. 7.4), а их, в свою оче-
редь, — на методы прямого контроля, основанные на регистрации
износа инструмента, и косвенного контроля, использующие физи-
ческие явления, которые сопровождают процессы резания и изна-
шивания инструмента.
При прямом контроле параметры износа (характеристики лунок
и ленточек износа) на контактных площадках инструмента измеря-
ются непосредственно в процессе обработки. Прямые измерения из-
носа инструмента вызывают некоторые.затруднения, что связано
в основном со сложностью конструкции датчиков износа. При вы-
полнении прямых измерении используют вспомогательные или хо-
лостые ходы инструмента, выход инструмента или режущих кромок
(зубьев) из процесса обработки.
Аппаратура для контроля износа режущих инструментов после
окончания процесса резания может быть размещена таким образом;
что на нее не будут оказывать вредное влияние различные факторы,
присущие процессу металлообработки. Такие измерения обладают
повышенной надежностью. Однако измерения осуществляются
периодически, что не позволяет своевременно обнаружить отказы
224	7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах
режущего инструмента. Необходимая периодичность контроля
может быть определена на основании опыта использования соответ*
ствующего режущего инструмента на данных технологических
операциях и на основании вероятностных расчетов с учетом предпо-
лагаемого периода стойкости режущего инструмента.
Таблица 7.4
Классификация способов контроля состояния режущих инструментов
Объект контроля	Контролируемый параметр
Режущий инструмент	Ширина площадки износа Вибрации Температура Остаточная радиоактивность Расстояние от вершины или режущей кромки до посто- янной базы
Обрабатываемая деталь	Размеры Шероховатость обработанной поверхности Температура на поверхности
Стружка	Форма Направление схода Температура Радиоактивность
Процесс резания	Длительность цикла обработки Мощность резания Силы резания Вибрации Акустическая эмиссия ЭДС в зоне резания Электрическое сопротивление зоны контакта инстру- мент — деталь
Косвенные методы используются все в больших масштабах. При
этих методах контролируются различные характеристики процесса
резания, которые имеют определенные корреляционные связи с ве-
личиной износа и интенсивностью изнашивания режущих кромок
инструмента. Принципы и техника измерения при косвенных методах
сравнительно просты. Они позволяют непрерывно получать в про-
цессе обработки информацию об износе режущей кромки. Пригодны
7.3. Диагностика режущих инструментов и процесса обработки	225
они также для регистрации резких или скачкообразных изменений
износа или разрушения режущих кромок инструмента в течение ко-
ротких интервалов времени.
Основной недостаток косвенных методов состоит в том, что корре-
ляционная связь между измеренным фактором и износом инструмента
должна быть определена экспериментальным путем для каждого
конкретного случая обработки с тем, чтобы на ее основе можно было
контролировать с помощью соответствующего датчика износ инст-
румента в процессе обработки.
7.3.2.	Прямые методы диагностики
Устройства для прямого контроля обеспечивают более высокую
достоверность измерений и получили достаточно широкое распро-
странение. Рассмотрим принципиальные схемы некоторых из этих
устройств.
Оптические устройства. Для оценки длины стержневых режущих
инструментов (сверл, метчиков) могут использоваться сравнительно
простые конструкции со встроенными фотоэлементами (рис. 7.4).
Если инструмент находится между источником излучения и датчи-
ком и перекрывает зону излучения, то это сигнализирует о его ис-
правности. Контроль осуществляется либо после каждого рабочего
хода, либо в перерывах между обработкой деталей.
Рис. 7.4. Принципиальная схема контроля длины
стержневых инструментов с помощью фотоэлементов:
1 — источник света; 2 — датчик
Развитие оптических систем позволило создать устройства для
измерения износа инструмента в тот момент, когда он не находится
в контакте с заготовкой. Действие этих устройств основано на том, что
площадка износа лучше, чем остальные поверхности инструмента,
22b	7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах
отражает световые лучи. Принципиальная схема оптико-электрон-
ного устройства приведена на рис. 7.5. В таких устройствах ис-
пользуются фотодиоды, вырабатывающие сигналы в зависимости от
ширины ленточки износа. Точность измерения ± 0,01 мм, диапазон
измерения 0,1...0,8 мм. Отраженный луч света передается через те-
лекамеру на телеэкран или на приемное устройство ЭВМ.
Рис, 7.5. Оптико-электронный преобразователь
для контроля износа режущего инструмента:
1 — катод; 2 — фотоусилитель; 3 — выходной сигнал; 4 — щель; 5 — увеличенное
изображение площадки износа; 6 — полупрозрачное зеркало; 7 — источник света;
8 — объектив; 9 — площадка износа; 10 — режущий инструмент
Значительно более высокой точностью измерения (до 1 мкм) и боль-
шими технологическими возможностями обладают лазерные устрой-
ства. Они позволяют не только обнаружить поломки инструмента
(либо его полное отсутствие на станке), но и измерить геометрию ре-
жущей кромки (рис. 7.6). Лазерные устройства могут использоваться
также для одновременного контроля нескольких инструментов (па-
пример, в многошпиндельных сверлильных головках).
Разновидностью оптических устройств являются также телеви-
зионные камеры с устройствами распознавания образов. С их помо-
щью можно оценивать как износ, так и сколы режущих кромок.
Контактные устройства. Такие устройства обеспечивают непо-
средственный контроль инструментов в процессе работы с помощью
датчиков касания (рис. 7.7).
7.3. Диагностика режущих инструментов и процесса обработки	227
Рис. 7.7. Контактные датчики и зонды
Рис. 7.6. Технологические возможности лазерных устройств фирмы «В1иш»:
а — измерение вылета стержневых инструментов; б — измерение вылета и радиуса
расточных резцов и головок; в — измерение геометрии режущей кромки; г — изме-
рение отклонений режущей кромки от прямолинейности; д — диагностирование
поломок
228	7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах
Головка, показанная на рис. 7.8, обеспечивает контроль инстру-
мента в разных угловых положениях измерительного наконечника.
Положения, в которых «ожидается» контакт, рассчитывает микро-
процессор станка. Работа такого датчика аналогична работе устройств,
используемых на автоматических линиях, где вращающийся наконеч-
ник замыкает электрическую цепь, что служит сигналом о целости
инструмента. В схеме, приведенной рис. 7.9, при отведенном поло-
жении сверлильной головки ступица 1 с радиально расположенны-
ми гибкими пластинами 2 поворачивается, и, если инструмент цел,
размыкаются контакты 3,4. При поломке сверла контакты замкнуты,
реле 6 остается под током, и срабатывает выключатель 5 в цепи
управления станком.
Рис. 7.8. Датчик касания с пово-	Рис. 7.9. Схема устройства контроля
рачивающимся наконечником	целости сверла по контакту с нако-
нечником
Схема контроля целости сверла по касанию обрабатываемой дета-
ли приведена на рис. 7.10. Если сверло 2 производит резание, то меж-
ду его патроном 3 и обрабатываемым изделием 1 имеется замкнутая
цепь, по которой проходит ток, вызванный термоэлектрическим эф-
фектом. Этот ток снимается скользящей угольной щеткой 4. По про-
водам 5 ток от щетки и изделия подводится к усилителю 6, выходной
сигнал А которого подается на вход логической схемы 7. К другому
входу логической схемы подается постоянное напряжение от источ-
7.3. Диагностика режущих инструментов и процесса обработки	229
Рис. 7.10. Схема устройства для контроля целости сверла по касанию детали
ника 9 через выключатель S. Если сверло цело, то по проводам прохо-
дит ток и на оба входа логической схемы поступает напряжение.
В этом случае она не вырабатывает выходного сигнала С. Если сверло
поломалось, то на один из входов логической схемы не поступает сиг-
нал А и на ее выходе появляется сигнал С, который используется для
сигнализации и останова станка.
В настоящее время при контроле износа инструментов использу-
ются также измерительные зонды. Они могут генерировать преры-
вистые (импульсные) и постоянные сигналы о контакте. На рис. 7.11
приведена схема импульсного зонда с электроконтактным преоб-
разователем. В корпусе находятся три равноотстоящие призмы,
Рис. 7.11. Схема импульсного зонда с электроконтактным
преобразователем [6]:
а — принципиальная схема; б — пример конструкции электроконтактов;
1 — корпус; 2 — пружина; 3 — рычаги; 4 — призмы; 5 — наконечник; 6 — изме-
ряемая деталь
230	7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах
электрически изолированные от него. Измерительный наконечник
соединен с тремя рычагами со сферическими концами. Под действи-
ем пружины рычаги входят в призмы и замыкают электрическую
цепь. В момент контакта с измеряемым объектом наконечник изме-
няет положение, рычаг отклоняется и электрическая цепь разрыва-
ется (возникает импульс). По мере движения зонда генерируется
система таких импульсов, что позволяет после обработки сигналов
определить координаты точек контакта. Погрешность измерения
координат при использовании электроконтактных преобразовате-
лей колеблется в пределах 0,35...1,0 мкм.
Более высокой точностью обладают зонды с контактным пьезо-
электрическим преобразователем (рис. 7.12). В таком зонде три рав-
ноотстоящих пьезоэлектрических сенсора располагаются между верх-
ней и нижней частями подвижной конструкции, оканчивающейся
измерительным наконечником. В момент контакта наконечника
с измеряемой поверхностью происходит деформация пьезоэлемен-
тов и генерируется одиночный импульс. При дальнейшем движении
наконечника генерируется так называемый подтверждающий сиг-
нал, что обеспечивает погрешность измерений не более 0,5 мкм.
Рис, 7,12. Схема импульсного зонда с контактным
пьезоэлектрическим преобразователем [6]:
1 — призма; 2 — пружина; 3 — рычаг; 4 — верхняя часть подвижной конструкции;
5 — нижняя часть подвижной конструкции; 6 — наконечник; 7 — пьезоэлектри-
ческий сенсор
7.3. Диагностика режущих инструментов и процесса обработки	231
Примеры использования измерительных зондов для контроля
инструментов на ГПМ показаны на рис. 7.13.
Рис. 7.13. Использование измерительных зондов
фирмы «Renishow» для контроля инструментов на ГПМ:
а — токарном; б — фрезерно-расточном
Контактные устройства могут использоваться как для контроля
положения вершины инструмента в начале его работы, так и для
измерения сколов, выкрашивания и износа режущих лезвий в ходе
работы. В последнем случае эффективность действия датчиков не
слишком высока, поскольку контролируется в основном область
вершины инструмента, а она не всегда характеризует потенциаль-
ный отказ инструмента.
Индукционные устройства. Работа таких устройств основана на
принципе взаимодействия сердечника и магнитной катушки; они до-
статочно дешевы и универсальны. В простейшем случае эти датчики
используются для проверки наличия (есть либо нет) и подсчета инст-
рументов. Например, нарис..7.14 приведена схема контроля поломок
сверл на автоматической линии. В кондукторной плите 3 установлены
индукционные катушки 2, которые в начале рабочего хода проверяют
наличие комплекта сверл (поломка в ходе обработки предыдущей
детали), а при выходе сверла 1 контролируют, не осталось ли оно
в детали 4 (поломка).
Пневматические устройства. В таких устройствах для контроля
используются перепады давления в сети сжатого воздуха. Напри-
мер, в стенках кондукторной втулки 5 (рис. 7.15) друг против друга
располагают каналы 6 и 7, к которым подводится сжатый воздух от
232	7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах
•источника 1. В канале 7 давление устанавливается регулятором 2,
а в канале 6 — регулятором 3; при этом в канале 6 давление выше,
чем в канале 7. Если сверло 4 цело, то каналы 6 и 7 разобщены и дав-
ление в трубопроводе к каналу 7 недостаточно для срабатывания дат-
чика 3. При сломанном сверле каналы 6 и 7 сообщаются, давление
в них выравнивается, давление в канале 7 повышается и срабатывает
датчик.
Рис. 7.14. Схема контроля поломок сверл на автоматической линии [2]:
а — принцип действия; б — положение на станке
Рис. 7.15. Схема устройства для контроля целости сверла
с помощью сжатого воздуха
7.3. Диагностика режущих инструментов и процесса обработки	233
Устройства, основанные на контроле времени прохождения
ультразвуковых волн через твердое тело. Для контроля использует-
ся время прохождения расстояния от измерительной головки через но-
вый и изношенный инструменты до поверхности детали и обратно.
При неизношенном инструменте (рис. 7.16, а) ультразвук прохо-
дит расстояние Lx за время тх. При образовании площадки износа
(рис. 7.16, б) путь сокращается на Д£ = Lx - L2, а время прохождения
сигнала меньше на Дт = Tj - т2> что регистрируется электронной аппа-
ратурой и позволяет определять величину износа.
Рис. 7.16. Схема контроля инструмента по времени
прохождения ультразвуковых волн:
1 — резец; 2 — генератор ультразвуковых импульсов; 3 — деталь; 4 — передавае-
мый импульс; 5 — отраженный импульс (без износа); 6 — отраженный импульс
(с износом)
7.3.3.	Косвенные методы диагностики
Косвенные методы диагностики режущих инструментов основа-
ны на контроле изменения сил резания, мощности, температуры
и других физических характеристик процесса резания в результате
износа или поломки инструмента. Рассмотрим некоторые из таких
устройств.
Устройства контроля времени работы инструмента. Принцип
действия таких устройств достаточно прост. Перед началом очеред-
ного цикла обработки система управления сравнивает реальное время,
отработанное инструментом, с постоянным значением, занесенным
в память компьютера, и определяет, имеется ли запас стойкости для
обработки еще одной детали. Если нет, то подается команда на заме-
ну инструмента новым, находящимся во вспомогательном магазине
инструментов.
Длительность работы инструмента, определяемая количеством
обработанных деталей, также является до некоторой степени харак-
234	7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах
теристикой его износа. О числе обработанных деталей информирует
счетчик циклов работы оборудования. По этой информации, устанав-
ливающей период режущей или размерной стойкости, производят
принудительную смену инструмента. Для уменьшения количества
преждевременных выходов инструментов из строя период стойкости
назначают с некоторым гарантийным запасом.
При каждом рабочем цикле автоматической линии или станка со-
леноид, встроенный в счетчик, получает электрический импульс
и через храповой механизм и систему зубчатых колес поворачивает
стрелки, отсчитывающие количество циклов. После обработки уста-
новленного количества деталей, соответствующего периоду стойко-
сти, контакты счетчика, настроенные на определенное положение,
замыкаются.
Соответствующий участок автоматической линии останавливается,
зажигается сигнальная лампа, указывающая, какие инструменты
нужно заменить. После смены инструмента наладчик устанавливает
стрелки счетчика в начальное положение. Обычно счетчик настраи-
вают так, чтобы предварительный сигнал подавался после обработки
примерно 90 % общего количества деталей, определяющего период
стойкости инструмента.
Устройства, основанные на контроле уровня сил и мощности ре-
зания. Известно, что с возрастанием износа инструмента увеличива-
ется уровень сил и мощности, потребной на резание. Поэтому как
непосредственно силы резания, так производные от них (мощность,
крутящий момент на шпинделе, сила тока двигателей главного дви-
жения или движения подачи) можно использовать в качестве источ-
ника диагностического сигнала.
Действие устройств контроля мощности резания основано на из-
мерениях силы тока и напряжения в двигателе главного движения
или движения подачи (рис. 7.17). Такие устройства весьма просты,
дешевы, не требуют изменений в конструкции станка. Однако на-
дежность их работы зависит от соотношения мощности резания и но-
минальной мощности двигателя. Если оно невелико, достоверность
диагностики резко снижается. Кроме того, эти устройства реагируют
на изменения сил, связанные с возрастанием износа инструмента, со
значительным опозданием во времени, что не позволяет вовремя
среагировать на катастрофический износ и поломки инструмента.
Это привело к практически полному отказу от использования таких
устройств.
В настоящее время измерение сил осуществляют, используя
тензометрические подшипники или оправки, датчики напряжений
7.3. Диагностика режуших инструментов и процесса обработки
235
Рис. 7.17. Схема измерения мощности привода подач [2]:
1 — двигатель; 2 — кпчъч. тока; 3 — регистратор сигнала
и деформаций, а также динамометры, встроенные в инструменталь-
ную оправку, резцедержатель либо револьверную головку. Во всех
случаях важную роль играет место размещения датчиков. Чем бли-
же оно к зоне резания, тем точнее измерения и выше надежность сис-
темы контроля.
Широкое распространение получили подшипники с тензометри-
ческими датчиками, наклеенными в канавке на их наружном кольце
(рис. 7.18). Прохождение шарика (ролика) под датчиком вызывает
Рис. 7.18. Тензометрический подшипник фирмы «Promess»:
а — конструкция; б — принцип действия; 1 — тензометрический датчик;
2 — кабель
236	7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах
локальные деформации кольца. Датчик подключен к тензометриче-
скому мосту и генерирует сигналы переменной частоты, зависящей от
частоты вращения вала и количества шариков в обойме подшипника.
Амплитуда сигналов пропорциональна действию внешних и внут-
ренних (возникших в результате предварительного нагружения) сил.
Схемы установки таких датчиков в шпиндельных узлах приведены
на рис. 7.19.
Рис. 7.19. Схемы установки тензометрических датчиков на подшипник
в шпиндельных узлах (1 — датчики)
Для измерения осевой силы (силы подачи) можно использовать
тензометрический датчик, представляющий собой обойму для опор-
ных подшипников (рис. 7.20). Тензометрические элементы, накле-
енные на внутреннее кольцо обоймы, защищены от действия СОЖ,
масла и т.д.
Пружинящие кольца с наклеенными на них тензометрическими
датчиками можно использовать для измерения главной силы реза-
ния, монтируя их под основанием револьверной головки (рис. 7.21).
Весьма перспективно использование для контроля сил резания
пьезоэлектрических датчиков. Принцип их действия основан на
известном физическом явлении, когда на поверхности некоторых
диэлектриков (например, кристаллов кварца) в результате механи-
ческой деформации генерируется электрический заряд. На рис. 7.22
показана принципиальная схема пьезоэлектрического датчика для
73. Диагностика режущих инструментов и процесса обработки	237
Рис. 7.20. Тензометрический датчик фирмы «Sandvik Coromant»
для измерения осевой силы:
а — принципиальная схема; б — расположение на ходовом винте токарного станка
с ЧПУ; 1 — зона соединения колец; 2 — внутреннее упругое кольцо; 3 — наружное
упругое кольцо; 4 — тензометрические датчики; 5 — области измерения силы
Рис. 7.21. Схема измерения сил резания с помощью тензометрических
датчиков, установленных под револьверной головкой [2]:
1 — салазки; 2 — основание револьверной головки; 3 — резец; 4 — винт;
5 — разрезное кольцо с наклеенными тензометрическими датчиками
измерения сил резания. Датчик крепится к корпусной детали, рез-
цедержателю или другому элементу станка, в которых под действием
сил резания возникают упругие деформации. Очевидно, что в месте
размещения таких датчиков не должны действовать дополнительные
возмущающие силы, а возникающие деформации должны непосред-
ственно зависеть от силы резания, которую необходимо изменить.
238	7. Налзор и диагностика в гибких производственных системах
Рис. 7.22. Схема пьезоэлектрического датчика для измерения сил резания [8]:
1 — базовая точка; 2 — пьезоэлектрический элемент
Датчик крепится к деформируемой поверхности винтом с силой Fo и
измеряет силу FQ2 в месте контакта поверхности с пьезоэлектриче-
ским элементом. Сила F0l приложена в базовой точке датчика. Рас-
стояние между точками равно L.
Наряду с одиночными пьезоэлектрическими датчиками исполь-
зуются также плиты (рис. 7.23), в которые может быть встроено от
одного до четырех датчиков. Наиболее часто такие устройства уста-
навливаются между основанием револьверной головки и поперечным
а
Рис. 7.23. Измерительная плита фирмы «Prometec» на основе комплекта
пьезоэлектрических элементов:
а — продольный разрез; б — схема установки; 1 — соединительный кабель;
2 — каналы для кабеля; 3 — пьезоэлектрические элементы; 4 — отверстия
под крепежные винты; 5 — поперечный суппорт; 6 — измерительная плита;
7 — основание револьверной головки
7.3. Диагностика режуших инструментов и процесса обработки	239
суппортом станка. Некоторые характеристики пьезоэлектрических
плит приведены в табл. 7.5 и 7.6.
Таблица 7.5
Размеры пьезоэлектрических плит FS-4000 фирмы «Sandvik Coromant»
для использования в токарных станках
Тип датчика	Длина, мм	Ширина, мм	Толщина, мм	Число единичных элементов в плите
FS-4001	185	130	12	4
FS-4002	210	138	15	4
FS-4003	250	150	18	( 4
FS-4004	310	190	24	4
FS-4005	390	220	30	4
FS-4006	470	285	36	4
Таблица J.6
Размеры пьезоэлектрических плит типа FS-4100 фирмы «Sandvik
Coromant» для использования в сверлильных станках
Тип датчика	Площадь, см2, не более	Толщина, мм	Число единичных элементов в плите
FS-4101	200	15	1
FS-4102	300	-	15	1
FS-4103	400	18	1
FS-4104	600	18	1
FS-4105	900	18	1
FS-4106	1300	24	1
Пьезоэлектрические датчики могут располагаться не только сна-
ружи, но и между деталями, имея форму колец (рис. 7.24). Техниче-
ские характеристики таких датчиков приведены в табл. 7.7.
Рис. 7.24. Схема установки кольцевого
пьезоэлектрического датчика [7]
240	7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах
Таблица 7.7
Характеристики пьезоэлектрических датчиков типа 9000 (кольцо)
фирмы «Kistler»
Тип датчика	Максимальное измеряемое усилие, кН	Жесткость, кН/мкм	Размеры, мм		
			Внутренний диаметр	Наружный диаметр	Высота
9001	7,5	1	4,1	10	6,5
9011А	15	1,8	6,5	14,5	8
9021А	35	3,5	10,5	22,5	10
9031А	60	6	13	28,5	11
9041А	90	7,5	17	34,5	12
9051А	120	9	21	40,5	13
9061А	200	14	26,5	52,5	15
9071А	400	26	40,5	75,5	17
9081А	650	30	40,5	100	22
9091А	1200	65	66	145	27
Пьезоэлектрические датчики типа штифта могут использоваться
для контроля сил резания и деформаций путем установки как снару-
жи, так и внутри контролируемых деталей (рис. 7.25). Такие датчики
Рис. 7.25. Принципиальные схемы пьезоэлектрического датчика фирмы
«Prometec» типа штифта и его установки:
1 — измерительный наконечник; 2 — пьезоэлектрический преобразователь;
3 — устройство для закрепления
~ 7.3. Диагностика режущих инструментов и процесса обработки	241
имеют весьма малые габариты (диаметр 9... 10 мм) и достаточно высо-
кую чувствительность (минимальное поперечное сечение стружки
до 0,3 мм2).
В большинстве случаев устройства для контроля сил резания
и крутящих моментов сориентированы на выявление момента ката-
строфического износа. В зависимости от уровня электронной под-
держки можно контролировать как статическую составляющую
силы (рис. 7.26), так и совместно статическую и динамическую, воз-
никающие в результате колебательных процессов в зоне резания
(рис. 7.27).
Рис. 7.26. Выявление катастрофического износа [2]:
а — изменение уровня сил по мере изнашивания режущего лезвия;
б — изменение уровня сил после скола режущего лезвия
Рис. 7.27. Выявление катастрофического износа с учетом динамической
составляющей силы резания [2]:
а — принципиальная схема; б — случай превышения верхней границы (малое
дополнительное время на срабатывание); в — случай резкого уменьшения силы
(большое дополнительное время на срабатывание)
Новейшие тенденции в развитии устройств контроля сил реза-
ния — появление так называемых «интеллигентных» датчиков,
передача первичных сигналов без проводов, использование новых
методов измерения, создание датчиков для регистрации наряду с си-
лой резания других характеристик процесса резания.
242	7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах
На рис. 7.28 показан пример конструкции «интеллигентного»
датчика, встроенного в инструментальную оправку для крепления
сверл и метчиков. Она включает комплект тензометрических датчи-
ков, первичный усилитель сигнала, аналого-цифровой преобразова-
тель и микропроцессор, которые размещены в корпусе оправки. В ком-
плект входят также радиопередатчик и приемник сигналов. Такое
устройство может контролировать крутящий момент или осевую силу.
Рис. 7.28. Схемы датчика, вмонтированного в инструментальную оправку (а)
фирмы «Sandvik Coromant» и «интеллигентного датчика» (0):
1,4 — устройство для передачи первичных сигналов без проводов; 2 — устройство
с аналого-цифровым преобразователем для первичной обработки сигнала; 3 —
тензометрический элемент; 5 — оправка; 6 — режущий инструмент
На рис. 7.29 показан датчик для контроля крутящего момента
при сверлении, принцип действия которого основан на использова-
ния вихревых токов. Датчик расположен вне инструментальной оп-
равки и не снижает ее жесткости.
Магнитострикционный датчик для измерения крутящего момента
(рис. 7.30) также не изменяет жесткости исследуемой конструкции.
Длинные и тонкие металлические пленки, обладающие хорошими
ферромагнитными свойствами, располагаются слоями в противопо-
ложных направлениях на периферии цилиндрической поверхности
инструментальной оправки под углом 45°. Наружные индукцион-
ные катушки наводят в пленках магнитное поле. Деформации оп-
равки под действием крутящего момента приводят к изменениям
магнитной проницаемости пленок, что, в свою очередь, изменяет
силу тока индуктивности в катушках. Такие датчики могут исполь-
зоваться во вращающихся инструментах типа торцовых фрез, а так-
же встраиваться в шпиндельные узлы станков.
7.3. Диагностика режущих инструментов и процесса обработки
243
Рис. 7.29. Схема датчика крутящего момента для диагностики сверл [9]:
а — расположение катушек; б — функциональная блок-схема; 1 — датчик;
2 — усилитель; 3 — генератор первичных сигналов; 4 — задатчик фазового
смещения; 5 — блок сравнения фазовых смещений; 6 — блок управления;
7 — воздушный зазор
Рис. 7.30. Принципиальная схема магнитострикционного датчика
для измерения крутящего момента [10]:
1 — хвостовик инструмента; 2, 3 — катушки; 4 — режущее лезвие
244	7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах
Комбинированные датчики имеют более широкие технологические
возможности и характеризуются надежностью работы. Так, датчик,
показанный на рис. 7.31, позволяет одновременно контролировать
уровень сил резания и акустическую эмиссию.
Рис. 7.31. Схема датчика для одновременного измерения силы резания
и акустической эмиссии [11]:
1 — пьезоэлемент для измерения сил; 2 — пьезоэлемент для измерения
акустической эмиссии; 3 — мембрана
Устройства, основанные на контроле уровня колебаний. Извест-
но, что в процессе резания генерируются колебания различных час-
тот и амплитуд (рис. 7.32), которые в значительной степени зависят
от состояния режущих лезвий.
Рис. 7.32. Распространение звуковых волн в ходе обработки детали [1]:
1 — режущее лезвие инструмента; 2 — корпус инструмента; 3 — револьверная
головка; 4 — система передачи сигнала от датчика; 5 — сигнал датчика
Колебания в диапазоне звуковых и околозвуковых частот регист-
рируются с помощью датчиков ускорения (как правило, пьезоэлек-
трических). Пример конструктивного исполнения такого датчика
7.3. Диагностика режущих инструментов и процесса обработки	245
показан на рис. 7.33. Исследования показывают, что по мере затуп-
ления инструмента возрастает энергия (амплитуда) высокочастот-
ных колебаний (рис. 7.34). Объектом контроля в этом случае служит
соотношение энергий высоко- и низкочастотных колебаний, опреде-
ляемое путем измерения интенсивности колебаний или звукового
давления в определенном диапазоне частот.
гЭ’
Рис, 7,33, Схема пьезоэлектрического датчика для контроля колебаний [11]:
1 — корпус; 2 — кольцо из пьезокерамики; 3 — гравитационная масса; 4 — плоская
пружина; 5 — пластиковая защитная оболочка; 6 — отверстие для крепления;
7 — кабель

О оя 028	0Л2	056	070
Время, с
Рис, 7.34, Характер колебаний при точении острым (внизу)
и затупленным (вверху) резцом [2]
При принятии решения об использовании колебаний для контроля
работоспособности инструмента следует учитывать, что в ряде случаев
на изменения спектра звуковых и прочих видов колебаний существен-
ное влияние оказывают непосредственно изменения режимов резания.
246	7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах
В этом случае необходимо сначала выделить составляющую ампли-
туды, генерируемую в результате изменения режима резания, а за-
тем идентифицировать оставшуюся часть сигнала.
Практика показывает, что более достоверную информацию обес-
печивает измерение не непосредственно амплитуд колебаний, а соот-
ношений амплитуд в том или ином направлении действия сил по
мере изнашивания инструмента. Установлено, что такие соотноше-
ния в значительной степени зависят от направления действия сил ре-
зания (рис. 7.35).
Рис. 7.35. Соотношения абсолютных (а, б) и относительных (в, г) значений
амплитуды колебаний в различных направлениях в зависимости от износа
резца [7J: а, б — = 90 м/мин; в,г~и= 120 м/мин; /=7200 Гц
Устройства, основанные на измерении акустической эмиссии.
Под акустической эмиссией понимают процесс расхождения волн,
возникающих в результате освобождения энергии упругости мате-
7.3. Диагностика режущих инструментов и процесса обработки	247
риала при его деформации, разрушении или структурно-фазовых
превращениях. На рис. 7.36 схематично показаны источники аку-
стической эмиссии, действующие в процессе резания. К ним следует
добавить зоны износа инструмента, образования выкрашиваний
и сколов, а также все прочие зоны, в которых возможно выделение
механической (коробки скоростей подач, ходовые винты) hjjh элек-
тромагнитной (реле, контакторы) энергии.
Рис. 7.36. Источники возникновения акустической эмиссии
в процессе резания [12]:
1 — микротрещины в обрабатываемом материале; 2,3,6 — трение; 3,4 — пласти-
ческие деформации и разрушение; 5,6 — ломание стружки и ее контактирование
с другими поверхностями
Акустическая эмиссия расходится в материале аналогично ульт-
развуковым волнам, подвергаясь отражениям и всевозможным из-
менениям. Поэтому для использования такого сигнала необходима
тщательная электронная поддержка, фильтрация и т.д. Встречают-
ся два основных типа сигналов: 1) постоянный с малой амплитудой,
генерированный в результате пластических деформаций материала
и трения на контактных площадках; 2) импульсный значительной
амплитуды, связанный с образованием микротрещин в инструмен-
те, стружке и поверхностном слое детали. Сигналы первого типа ха-
рактерны для обработки материалов, дающих сливную стружку; их
амплитуда возрастает при возрастании износа задней поверхности
инструмента и скорости резания. Сигналы второго типа характерны
для обработки хрупких материалов; в этом случае импульс, возник-
ший в результате скола элемента стружки, накладывается на сигнал
первого типа, генерируемый в результате процессов трения и изна-
шивания.
Для регистрации сигналов могут использоваться пьезоэлектри-
ческие датчики (см. рис. 7.31), пленочные датчики (рис. 7.37) и др.
248
7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах
Рис. 7.37. Схема пленочного датчика для контроля
акустической эмиссии [13]:
1 — режущая пластина; 2 — оправка; 3 — изоляция;
4 — пленочный датчик; 5 — опорная пластина
Устройства, основанные на измерении температуры и термоЭДС.
В качестве контролируемых параметров можно использовать:
□	температуру сходящей стружки, измеряемую с помощью опти-
ко-электронного устройства, которое сфокусировано на зону струж-
кообразования;
□	смещение верхней границы скоростей наростообразования;
в данном случае используется явление резкого изменения полной
ЭДС резания при исчезновении нароста (рис. 7.38);
□	термоЭДС, которая регистрируется с помощью естественной
термопары;
□	изменение электрического сопротивления цепи, в которую вхо-
дит режущий инструмент. ‘
Рис. 7.38. Зависимость термоЭДС от
скорости резания (ин — верхняя гра-
ница зоны наростообразования)
Рис. 7.39. Схема контроля износа по
изменению сопротивления электри-
ческой цепи
7.3. Диагностика режуших инструментов и процесса обработки	249
Принципиальная схема устройства для контроля электрического
сопротивления цепи в зоне резания приведена на рис. 7.39. На резец
2 между слоями диэлектрика 4 наносится тонкая пленка проводника
3, имеющая заданные параметры электрического сопротивления.
При обработке детали 1 на резце появляется площадка износа h3
по задней поверхности инструмента и уменьшается сопротивление
пленки. Фиксируя изменения силы тока, можно определить износ.
Устройства, основанные на контроле формы стружки. Такие уст-
ройства позволяют регистрировать изменения формы стружки по
мере износа инструмента (как правило, токарного резца). Такой кон-
троль можно обеспечить, фиксируя инфракрасное излучение из зоны
обработки. Его интенсивность будет зависеть от количества находя-
щейся там разогретой стружки. Аналогичным образом действуют
и камеры тепловизоров. Изображение с камеры делится компьюте-
ром на участки с одинаковой интенсивностью теплового излучения,
что позволяет определить характер образующейся в данный момент
стружки (рис. 7.40).
Оптимальная	Приемлемая	Допустимая
форма	форма	форма
Трудноконтроли-	Критическая
руемая форма	форма
Неприемлемая
форма
Рис. 7.40. Изображение стружки на экране тепловизора [14]
Для контроля образующейся стружки можно использовать так-
же контактные датчики. Они устанавливаются на передней поверх-
ности инструмента и позволяют регистрировать изменения условий
стружкообразования по мере износа резца (изменения радиуса кри-
визны стружки, направления ее схода и т.д.).
250	7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах
Диагностика точности обработки деталей
7.4.1. Измерения в рабочей зоне станка
Измерения в рабочей зоне позволяют уточнять наиболее важные
размеры детали, выполнять в случае необходимости коррекцию управ-
ляющей программы, выявлять бракованные детали с целью исклю-
чения их из дальнейшей обработки, регулировать или заменять изно-
шенный режущий инструмент.
В большинстве контрольных систем используются измерительные
зонды (их конструкции описаны в п. 7.3.2). В зондах могут использо-
ваться датчики касания (контактные) либо лазерный луч (бескон-
тактные). С их помощью идентифицируют детали, определяют пра-
вильность их расположения на столе станка (с целью компенсации
ошибок закрепления заготовки на палете и палеты на столе), выпол-
няют коррекцию ошибок положения стола при обработке соосных
отверстий в противоположных стенках корпуса, измерение наибо-
лее ответственных размеров и т.д.
При соприкасании щупа зонда и измеряемой поверхности (рис. 7.41)
в нем генерируется электрический сигнал, который считывается ана-
лого-цифровым преобразователем и преобразуется в координаты из-
меряемой точки.
Рис. 7.41. Контроль точности обработки
с помощью измерительного зонда фирмы «Renishow»
7.4. Диагностика точности обработки деталей
251
Рис. 7.42. Схема измерения детали с помо-
щью зонда [1] (точки 2, 3, 4, 7 служат для
измерения диаметральных размеров, точ-
ка 10 — базовая)
N010 G80 G90 G00
N020 Т0101
N030 Т0101 Х100 Z60 М9
N040 G65 Р9010 ХО Z10 F1000
N050 G65 Р9019 D50 Z-5 Т5
N060 G65P9010 Z-10
N070 G65 Р9015 Х40 Т7
N080 G65 Р9010 Z5
N090 G65 Р9010 Х45
N100 G65 Р9018 Z0 М9 Е1
N110 G65 Р9010 Х70
N120 Z65 Р9010 Z-15
N130 G65 Р9015 Х65 Т10 Ml
N140 G65 Р9010 Х100 Z60
N150 G28 UO W0
N160 МЗО
На рис. 7.42 показана схема для измерения детали с помощью
зонда и фрагмент управляющей программы.
7.4.2. Измерения вне станка
Измерения детали вне станка позволяют освободить его от функций
измерения. Это целесообразно в следующих случаях: время измерения
значительно превышает время обработки; необходимо измерять зна-
чительное количество деталей; не предусматривается повторная об-
работка детали на станке после выявления погрешностей обработки.
Для измерений на контрольном рабочем месте применяются:
1)	универсальные измерительные устройства;
2)	специальные измерительные устройства, предназначенные для
измерения определенных деталей;
3)	координатные измерительные машины;
4)	измеряющие роботы. .
Измерительные устройства первых двух групп используются
преимущественно для контроля определенных размеров. Устройст-
ва располагаются в непосредственной близости от станка, детали ус-
танавливаются для измерения промышленным роботом.
Координатные измерительные машины характеризуются высокой
точностью и универсальностью измерений. Они состоят из комплекта
измерительных устройств, устройств для управления и переработки
информации, а также компьютера, который может функционировать
самостоятельно либо подключаться к главному компьютеру ГПС.
252	7. Надзор и диагностика в гибких производственных системах
В результате измерений можно создать пространственный образ де-
тали без необходимости ее точного расположения в измерительном
пространстве.
Измеряющие роботы фактически представляют собой измеритель-
ные машины, которые могут быстро перемещаться в нужную область
пространства. Они объединяют в себе достоинства как измеритель-
ных машин, так и роботов: с одной стороны, это точность измерений,
с другой — быстрота перемещений, возможность использования одно-
временно нескольких «рук» робота с соответствующими измеритель-
ными насадками, возможность установки на системе транспортиро-
вания деталей, работы в загрязненном пространстве цеха и т.д.
Литература
1.	Honczarenko J. Elastyczna automatyzacja wytwarzania: Obrabiarki i sy-
stemy obrobkowe / J. Honczarenko. Warszawa: WNT, 2000. 486 s.
2.	Kosmol J. Automatyzacja obrabiarek i obrobki skrawaniem / J. Kosmol.
Warszawa: WNT, 2000. 444 s.
3.	Контроль и диагностирование автоматизированных металлорежущих
станков / Б.М. Бржозовский и др. М.: ВНИИТЭМР, 1991. 76 с.
4.	Stearerungsintegrierte Uberwachung von Fertigungsporessen / M. Week
und and. // VDI — Z. 1998. № 6. S. 53 — 57.
5.	Honczarenko J. Tester serwonanap^dow posuwu obrabiarek sterowanych
numeryeznie / J. Honczarenko, R. Torczyski // Mechanik. 1992. №8 — 9.
S. 255 — 257.
6.	Ratajczyk E. Sondy stykowe w maszynach i robotach pomiarowych /
E. Ratajczyk // Mechanik. 1994. №. 8 — 9. S. 297 — 301.
7.	Adamczyk Z. Monitorowanie ostrza skrawajqcego. Metody konwencjonalne
i sieci neuronowe / Z. Adamczyk, K. Jemielniak, J. Kosmol, A. Sokolwski;
pod red. J. Kosmola. Warszawa: WNT, 1996. 244 s.
8.	Schneider H.P. Ausfalle und Storungen minimieren / H.P. Schneider //
Industrie Anzeiger Extra, NC-Technik. 1989. S. 11.
9.	Tonshoff H.К. Beriihrungslose Messung des dynamischen Bearbeitungs-
moments zur Uberwachung chlanken rotierenderWerkzeuge / H.K. Ton-
shoff, E. Brinksmeier, H. Husen // Elektrotechnik und Informationstechnik.
1991. V. 108. № 6. P. 252-257.
10.	Aoyama H. Cutting Force Sensing in Milling Process / H. Aoyama,
H. Ohzeki, A. Mashine, J. Takashita // Conf. «Monitoring of Machining
and Forming Processes». 1995. P. 319-333.
Литература	253
11.	Byrne G. Tool Condition Monitoring (NCM) — The status of research and
Industrial Application I G. Byrne, D. Dornfeld, I. Inasaki, G. Ketteler,
R. Teti Ц CIRP Annals. 1995. V. 44. № 2. P. 541-568.
12.	Marsumura T. Autonomous turning operation planning with predicting
tool wear and surface roughness / T. Marsumura, T. Obikawa, T. Shirakas-
hi, E. Usui 11 Trans, of the ASME. 1993. V. XXI. S. 359-366.
13.	Konig W. Research of Tool Condition Monitoring in Europe - State of
the Art. and Future Prospects / W. Konig, G. Kettler // Proc. Third Meeting
of the CIRP Working Group on TCM. Paris, 1994. P. 8-29.
14.	Widota A, Diagnostyka obrabiarek i procesu obfobki oraz jej zastoso-
wanie w ASO / A. Widota // Mechanik. 1988. №4. S. 171-182.
ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ
НА СТАНКАХ С ЧПУ
8.Т:
Маршрут обработки и структура
операционного технологического
процесса
8.1.1. Маршрут обработки деталей
Маршрут обработки деталей на станке с ЧПУ определяется после-
довательностью выполнения операций обработки. От него зависит
точность изготовления детали и производительность обработки. Для
обеспечения заданной точности необходимо соблюдать принцип де-
ления процесса обработки на стадии: черновую, чистовую и отделоч-
ную. Однако в отдельных случаях на станках с ЧПУ приходится
объединять черновую и чистовую операции, так как повышенная
жесткость таких станков позволяет совмещать эти операции и обес-
печивает высокую точность.
При определении последовательности обработки в целях умень-
шения погрешности базирования следует, по возможности, придер-
живаться принципа постоянства технологической базы. Принятие
решения о последовательности обработки должно начинаться с опре-
деления количества установок детали, необходимых для ее полной
обработки.
Первая установка выбирается из условия наиболее удобного бази-
рования заготовки на черновые или заранее подготавливаемые чис-
товые базы. На ней желательно произвести обработку поверхностей,
образующих технологические базы при последующих установках.
После выяснения требуемого количества и последовательности
установок детали определяется последовательность ее обработки по
зонам. В каждой зоне выделяются элементы, для которых устанав-
ливаются вид обработки (черновая, чистовая) и требуемые типораз-
меры режущих инструментов.
Отдельные элементы, обрабатываемые одним инструментом, груп-
пируются как внутри каждой зоны, так и для разных зон. Такое
группирование позволяет выявить количество типоразмеров режущих
инструментов для обработки всей детали.
8.1. Маршрут обработки технологического процесса	255
Последовательность обработки по зонам определяется конструк-
циями детали и заготовки. При этом необходимо обеспечить макси-
мально возможную жесткость на каждом участке обработки. Так,
обработку корпусной детали с ребрами целесообразно начинать
с фрезерования торцов ребер до обработки контура детали. Внутрен-
ний контур детали следует обрабатывать от центра к периферии.
При точении детали обработку нужно начинать с более жесткой
части (большего диаметра) и заканчивать в зоне малой жесткости.
Отправным моментом при проектировании маршрута обработки
является анализ существующего технологического опыта обработки
данной детали (или групп деталей) на станках с ручным управлением.
В ходе анализа преследуется цель максимально использовать апроби-
рованные технологические приемы, существующие оснастку и инст-
рументы. Если деталь ранее не обрабатывалась, то для ознакомления
подбирается аналогичная, находящаяся в производстве.
8.1.2. Структура операционного
технологического процесса
Структура операции обработки детали на станке с ЧПУ несколь-
ко отличается от классической. Известно, что наиболее мелкой со-
ставляющей частью технологического процесса является переход,
который характеризуется единством обрабатываемой поверхности,
режущего инструмента и режимов резания. Режимы резания при
выполнении перехода на станках с ЧПУ могут изменяться из-за не-
равномерности припуска или особенностей форм обрабатываемых
поверхностей. Поэтому есть основание не включать неизменность
режимов резания в число параметров, определяющих переход.
Переходы на станках с ЧПУ подразделяют на элементарные, ин-
струментальные, позиционные и вспомогательные (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Классификация элементов операции
256	8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
Элементарный переход — непрерывный процесс обработки од-
ной элементарной поверхности одним инструментом по заданной
программе.
Из элементарных переходов образуется инструментальный пе-
реход, представляющий собой законченный процесс обработки одной
или нескольких поверхностей одним инструментом при его непре-
рывном движении по заданной программе.
Вспомогательный переход — часть траектории движения инст-
румента, не связанная с образованием поверхности (врезание, вы-
ход, холостые ходы). В отличие от станков с ручным управлением
вспомогательное время включает время на установку и снятие заго-
товки (tB.y) и машинно-вспомогательное время (fM.B), связанное с вы-
полнением вспомогательных ходов и перемещений при обработке
поверхностей.
Позиционный переход — совокупность инструментальных и вспо-
могательных переходов, выполняемых при неизменности позиции
или положения обрабатываемой детали относительно рабочих орга-
нов станка.
Из совокупности переходов складывается операция. Операцией
механической обработки детали на станке с ЧПУ называется часть
технологического процесса, выполняемая над определенной деталью
непрерывно на одном рабочем месте по заданной программе и при од-
ной настройке станка.
Понятие «операция на станке с ЧПУ» ограничено условием «при
постоянной настройке станка».
Операция может разбиваться на установы. У становом называет-
ся часть технологической операции, выполняемая при неизменном
закреплении детали.
Операция механической обработки детали на станке с ЧПУ вклю-
чает также ряд других приемов: измерение детали, смена инстру-
мента, пуск станка и т.д.
Последовательность обработки
типовых деталей и поверхностей
Проектирование технологической операции начинают с выбора
последовательности технологических переходов. При обработке де-
талей на токарных станках с ЧПУ с закреплением их в патроне
рекомендуется следующий порядок обработки:
1)	центрование (для отверстий диаметром менее 20 мм);
8.2. Последовательность обработки типовых деталей и поверхностей 257
2)	сверление сверлом меньшего диаметра (если используются два
сверла);
3)	сверление сверлом большего диаметра;
4)	черновая обработка основных поверхностей, подрезание внеш-
него торца предварительно и окончательно, обработка основных
внутренних и наружных поверхностей;
5)	чистовая обработка основных внутренних и наружных поверх-
ностей;
6)	обработка дополнительных поверхностей, расположенных в от-
верстии, на торце и снаружи.
При обработке с закреплением в патроне и поджатием задним
центром порядок обработки следующий:
1)	черновая обработка основных форм наружной поверхности;
2)	черновая и чистовая обработка дополнительных форм поверх-
ности;
3)	чистовая обработка основных форм;
4)	чистовая обработка дополнительных форм, не нуждающихся в
черновой обработке.
При обработке корпусных деталей на многооперационных стан-
ках рекомендуется следующий порядок выполнения операций:
1)	черновая обработка деталей с двух-трех сторон (в качестве базы
используются достаточно большие плоскости);
2)	черновая обработка остальных сторон детали с установкой по
обработанным поверхностям, создание баз для последующей обра-
ботки;
3)	чистовая обработка базовой и противобазовой поверхностей
и всех элементов (пазов, уступов, отверстий) на этих плоскостях;
4)	чистовая обработка остальных сторон детали.
Последовательность выполнения переходов зависит от их назна-
чения (сверление, фрезерование, растачивание и др.), количества пе-
реходов, выполняемых одним инструментом, требуемой точности
обработки, точности позиционирования узлов станка и многих дру-
гих факторов.
Токарные операции обычно начинают с черновой обработки, со-
держащей несколько прямолинейных проходов. При чистовой обра-
ботке основные поверхности формируются, как правило, за один
проход контурным резцом, а дополнительные — в специальных цик-
лах (см. п. 4.3.1).
Общий подход к выбору последовательности выполнения перехо-
дов на многооперационном станке показан в табл. 8.1.
258	8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
Таблица 8.1
Последовательность выполнения переходов на многооперационном станке
Номер перехода	Содержание перехода	Инструмент
1	Черновое, получистовое, чистовое фрезерование внешних поверхностей	Фрезы торцовые
2	Сверление (рассверливание) отверстий диаметром свыше 30 мм в сплошных стенках: сквозное — ос- новных отверстий, глухое — для ввода концевых фрез	Сверла
3	Фрезерование пазов, отверстий, окон, карманов	Фрезы концевые
4	Фрезерование внутренних поверхностей, перпен- дикулярных к оси шпинделя	Фрезы торцо- вые, концевые
5	Черновое зенкерование и растачивание основных отверстий в сплошных стенках после перехода № 2	Зенкеры, резцы расточные
6	Обработка дополнительных поверхностей (кана- вок, уступов, фасок и др.), расположенных в ос- новных отверстиях и концентричных его оси	Фрезы и резцы различного назна- чения, зенковки
7	Обработка дополнительных поверхностей на внешних и внутренних плоскостях и необраба- тываемых поверхностях	Фрезы концевые, шпоночные
8	Обработка крепежных и других вспомогательных отверстий диаметром свыше 15 мм	Сверла, зенке- ры, метчики
9	Снятие фасок	Фрезы угловые
10	Перезакрепление детали, проверка положения ра- бочих органов станка	—
11	Окончательное фрезерование плоскостей	Фрезы торцовые
12	Обработка точных поверхностей основных отвер- стий	Резцы расточ- ные, развертки
13	Обработка точных отверстий малого диаметра	Сверла, резцы расточные, развертки
14	Обработка точных и точно расположенных в отвер- стиях дополнительных поверхностей (канавок, вы- емок, уступов)	Резцы расточ- ные, фрезы дис- ковые трехсто- ронние
15	Обработка дополнительных поверхностей (выемок, пазов, карманов, прорезей), расположенных асим- метрично относительно основных отверстий	Фрезы и резцы различного на-' значения
8.3. Межопераиионные припуски и допуски	259
Окончание табл. 8.1
Номер перехода	Содержание перехода	Инструмент
16	Обработка обратных фасок и других поверхностей, связанных с основными отверстиями	Фрезы дисковые, угловые, резцы канавочные, фасочные
17	Обработка крепежных и других отверстий малого диаметра	Сверла, зенкеры, зенковки, метчики
Сочетание черновых и чистовых технологических переходов вы-
бирается в зависимости от размеров, формы соответствующих по-
верхностей и требований к точности и качеству их обработки. Так,
при обработке отверстий возможны две основные технологические
схемы:
1) параллельная — каждый инструмент обрабатывает все отвер-
стия одного диаметра, затем производится смена инструмента, и цикл
повторяется;
2) последовательная — одно отверстие обрабатывается всеми не-
обходимыми инструментами, затем после изменения позициониро-
вания — следующее отверстие и т.д.
Первый вариант используется при низких требованиях к точно-
сти отверстий, второй — при высоких.
Фрезерование отверстий вместо растачивания более целесообразно
при длине отверстия, не превышающей длины режущей части фрезы.
Его эффективность повышается при обработке отверстий с большими
и неравномерными припусками.
8.3.
Межопераиионные припуски и допуски
При обработке деталей на станках с ЧПУ уменьшаются количество
операций обработки большинства поверхностей детали, количество
ее установок на станке, погрешности установки деталей. Это позво-
ляет уменьшить припуск на получистовую и чистовую обработку на
15...20 %, на черновую — на 20.. .25 % и суммарные величины припус-
ков. Значения припусков приведены в справочной литературе [1].
Межоперационные допуски на обработку устанавливаются исхо-
дя из допусков на изготовление детали и принятой технологии ее об-
работки (табл. 8.2).
260
8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
Таблица 8.2
Межоперационные допуски
Параметр	Допуск			
	по чертежу	черновой	ЧИСТОВОЙ	
Расстояние между плоско- стями, между отверстием и плоскостью	8 >1,23,. 8 < 1,23с	58 158	8 38	
Отклонения от параллель- ности и перпендикулярно- сти плоскостей	В одной операции	8>1,28с 8< 1,28с	58 158	8 38
	в разных операциях	8>2,58с 8 < 2,58с	58 158	38
Диаметр отверстия		8 больше или равно допуску 7-го квали- тета	58	8
		8 меньше допуска 7-го квалитета	158	38
Отклонения от параллель- ности, перпендикулярно- сти и соосности осей отвер- стий или оси и плоскости	в одной операции	8 > 1,23с 8< 1,28с	58 158	8 38
	в разных операциях	8 > 2,58с 8 < 2,58с	58 158	8 38
Примечание: 5 — допуск по чертежу; 8С — допуск, характеризующий точность
станка.
8.4.
Выбор траекторий движения режущих
инструментов
Общие положения. Траектория движения инструмента разраба-
тывается для так называемого центра инструмента. У резцов центр
располагается обычно на их вершинах либо в центре скругления вер-
шины, а у фрез всех видов — в точке пересечения оси инструмента
с его торцовой плоскостью.
Траектория движения инструмента зависит от формы поверхно-
стей обрабатываемой детали. При контурной обработке траектория
является эквидистантой к контуру обрабатываемой детали (эквиди-
станта — это геометрическое место точек, равноудаленных от ка-
кой-либо линии и лежащих по одну сторону от нее).
8.4. Выбор траекторий движения режущих инструментов
261
Траектория формируется из отдельных геометрических элемен-
тов (рис. 8.2). Это отрезки прямых, дуг окружностей, другие кривые.
Рис. 8.2. Траектория движения центра фрезы (штриховой линией
обозначены траектории холостых ходов)
Различные геометрические элементы соединяются в точках пере-
сечения или касания. Точки соединения называют опорными точ-
ками (точки 1, 3—10). Опорными точками считаются также точки
перехода дуги из одного квадранта в другой. Кроме того, на траектории
выделяются точки, в которых изменяются технологические пара-
метры (скорость резания, подача инструмент и т.д.). Они называются
технологическими опорными точками.
При обработке сложных контуров возникает необходимость про-
верки точности изготовления детали. Для этого на траектории опре-
деляются точки, в которых можно измерить положение обрабатывае-
мого контура относительно базовых поверхностей детали. Такие точки
называют контрольными (рис. 8.2, точка 2). Местоположение кон-
трольных точек определяют с таким расчетом, чтобы инструмент не
находился в контакте с деталью.
262
8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
Информация о перемещении инструмента от одной точки траекто-
рии к другой записывается в одном кадре управляющей программы.
При разработке траектории необходимо учитывать тип интерпо-
лятора системы ЧПУ станка. В условиях использования высокоско-
ростной обработки очень важны также точность отсчета координат
по соответствующим осям и быстродействие системы управления
станком.
Построение траекторий рабочих перемещений. При разработке
технологии обработки на станках с ЧПУ одной из наиболее сложных
проблем является рациональный выбор траектории рабочих переме-
щений инструмента на переходах. Так, при обработке криволинейной
поверхности рациональной с точки зрения уменьшения программи-
рования является траектория, показанная на схеме, приведенной на
рис. 8.3, а. Это обусловлено тем, что на большей части своего пути ин-
струмент совершает прямолинейные перемещения. В случае обра-
ботки по схеме, приведенной на рис. 8.3, б, инструмент движется
в основном по криволинейным траекториям, что сложнее для про-
граммирования.
Рис. 8.3. Схемы обработки криволинейной поверхности детали:
а — облегченное программирование; б — сложное программирование
Правильный выбор траекторий движения режущих инструмен-
тов позволяет сократить основное время обработки и количество ин-
струментов в наладке.
Токарную операцию обычно начинают с черновой обработки, ко-
торая содержит несколько прямолинейных черновых проходов, вы-
полняемых вдоль оси детали, перпендикулярно или под углом к ней
с постоянной по возможности глубиной резания. После каждого про-
хода инструмент отводится в исходное положение (рис. 8.4).
Рис. 8.4. Отвод резца перпендикулярно к оси детали (а), под углом к ней (б),
параллельно профилю (в)
8.4. Выбор траекторий движения режущих инструментов	263
Если деталь имеет несколько ступеней, то припуск условно де-
лится на зоны (перпендикулярно к оси детали) и уровни. В результате
образуется определенное количество элементарных участков, каж-
дый из которых можно обозначить двумя цифрами: первая — номер
уровня, вторая — номер зоны. Выбор рационального варианта зави-
сит от протяженности зон обработки, длины холостого хода, количе-
ства проходов и т.д. Некоторые варианты удаления припуска при
черновой токарной обработке приведены на рис. 8.5.
Рис. 8.5. Последовательность удаления припуска
по уровням (первая цифра) и зонам (вторая цифра):
а — 1-2,1-2,1-3,2-1,2-2, 3-1; б—1-1,1-2, 2-1, 3-1,2-2,1-3;
в — 1-1, 2-1, 3-1,1-2, 2-2,1-3
264	8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
Чистовой проход целесообразно выполнять эквидистантно кон-
туру детали, со снятием фасок, проточкой небольших углублений
и т.п. Траекторию инструмента представляют в виде участков, раз-
деленных опорными точками, каждая из которых является концом
одного участка и началом следующего. Обычно участки представляют
собой отрезок прямой или дугу окружности; более сложные кривые
также можно заменить одной или несколькими дугами соответст-
вующих радиусов. Дополнительные наружные поверхности обраба-
тываются в соответствии с табл. 8.3, а внутренние — в соответствии
с табл. 8.4.
Таблица 8. 3
Траектории движений резца при обработке
наружных дополнительных поверхностей
Эскиз обработки_____ |	Схема движений__________
Без чистовой обработки дна
2п-1 1 П
2П-1 1 П
2п 2п-1 1 п
8.4. Выбор траекторий движения режуших инструментов
265
Окончание табл. 8.3
Эскиз обработки
Схема движений
С чистовой обработкой дна
Таблица 8.4
Траектории движений резца при обработке
внутренних дополнительных поверхностей
Эскиз обработки	|	Схема движений
Без чистовой обработки дна
2п-11 п
266
8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
Окончание табл, 8.4
Эскиз обработки
Схема движений
2п2п-11 п
С чистовой обработкой дна
Примечание. 1,п — количество ходов.
При обработке канавок относительно больших размеров можно
использовать комбинацию проходного и канавочного резцов (рис. 8.6).
Нарезание резьб производится за несколько проходов. При этом
врезание может осуществляться перпендикулярно к оси детали (рис.
8.7, а, в) или параллельно профилю зуба (рис. 8.7, б, г), с постоянной
(рис. 8.7, а, б) или переменной (рис. 8.7, в, г) подачей. В конце цикла
можно выполнить калибрующие проходы.
8.4. Выбор траекторий движения режуших инструментов	267
Рис. 8.6. Схемы обработки широких канавок:
а, б — без чистовой обработки дна; в — с чистовой обработкой дна; tx — глубина
резания за один проход; А — проходы контурного резца; Б — проходы канавочного
резца; п19 пг — количество проходов соответственно контурного и канавочного
резцов
Рис. 8.7. Последовательность проходов при нарезании резьбы
Инструменты для обработки дополнительных поверхностей вы-
бирают исходя из минимальных размеров последних, а остальные
аналогичные поверхности формируют с использованием дополни-
тельных рабочих ходов.
268	8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
Черновое и получистовое растачивание отверстий рекомендуется
выполнять по схеме, приведенной на рис. 8.8, а, а чистовое — по схемам,
показанным на рис. 8.8, б, в. При этом в первом случае возможно появ-
ление риски на поверхности отверстия при отводе инструмента. Во
втором случае появление риски исключено, но инструмент выводит-
ся с рабочей подачей (т.е. медленнее). Обработка фаски выполняется
по схеме, приведенной рис. 8.8, г, с выдержкой без осевой подачи
в течение одного-двух оборотов инструмента; обработка карманов,
уступов, торцов бобышек — по схемам, показанным на рис. 8.8, д, е.
- Ьыключение вращения.
т - задержка
Рис. 8.8. Схемы перемещения инструмента при растачивании отверстий:
а — черновое и получистовое; б — чистовое, когда допускается риска на обрабо-
танной поверхности; в — чистовое без риски; г — обработка фаски; д — обработка
углублений; е — обработка торца бобышки; Zb 12 — величины подвода и перебега;
I — длина отверстия; Г=1 - 3; Da — наружный диаметр инструмента; D6 — диа-
метр бобышки
При обработке отверстий стержневыми инструментами важное
значение имеет правильный выбор подвода и перебега. Эти величины
выбирают с учетом обеспечения минимальных холостых перемещений
8.4. Выбор траекторий движения режущих инструментов	269
с рабочей подачей и плавного входа инструмента в обрабатываемое
отверстие и вывода из него, характера предварительной обработки,
геометрии инструмента.
В качестве исходной координаты принимается координата точки
касания нижнего торца или перемычки инструмента с плоскостью,
на которой расположено обрабатываемое отверстие.
Перемещение фрезерных инструментов с рабочей подачей вклю-
чает подвод к детали для врезания, резание и перебег для обеспече-
ния полной обработки поверхности детали. Для выбора траекторий
и величин врезания и перебега можно воспользоваться типовыми
схемами перемещений.
Предварительное фрезерование открытых плоскостей шириной
В < 0,8В выполняется за один проход (рис. 8.9, а). Направление дви-
жения выбирается так, чтобы деталь прижималась к опорам. Обра-
ботку контурных плоскостей шириной В < 0,65В производят по схеме,
приведенной на рис. 8.9, б. Для фрезерования плоскостей, состоящих
в
Рис. 8.9. Схема перемещения инструмента при предварительной обработке
открытых плоскостей (Ц = 12 = 0,5В + 10); сплошной линией показаны пере-
мещения с рабочей подачей, штриховой — на быстром ходу; 1-13 — номера
опорных точек
270	8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
из отдельных удаленных друг от друга участков, используется схема
(рис. 8.9, в), позволяющая осуществлять перемещения от участка
к участку на быстром ходу. Схема, приведенная на рис. 8.9, г, приме-
няется при обработке плоскостей концевой фрезой.
Чистовая обработка плоскостей может выполняться по двух-
проходной схеме (рис. 8.10, а) или перемещением фрезы зигзагом
(рис. 8.10, б). Для чистовой обработки контурных поверхностей це-
лесообразно применять схему, показанную на рис. 8.10, в.
в
Рис. 8.10. Схема перемещений инструмента при чистовой обработке открытой
плоскости торцовыми зубьями фрезы (а — угол наклона траектории)
Обработка пазов концевой, дисковой или шпоночной фрезой вы-
полняется за один-три прохода. Неточные пазы шириной B = D обра-
батываются за один проход (рис. 8.11, а), а шириной D < В < 2D — за
два прохода (рис. 8.11, б, в). Если ширина паза 2D < В < 3D, то сначала
обрабатывается центральная часть паза, а затем его боковые стороны.
Обработка пазов шириной В > 3D осуществляется так, что боковые
стороны обрабатываются концевой фрезой за два прохода, а средняя
часть — торцовой фрезой по схеме, приведенной на рис. 8.10, а.
С позиций проектирования траектории инструментов при фре-
зерной контурной обработке можно выделить два семейства поверх-
8.4. Выбор траекторий движения режуших инструментов
271
в
Рис. 8.11. Схемы перемещения фрез при обработке пазов:
а — за один проход; б - за два прохода с рабочей подачей в обе стороны;
в — за два прохода с рабочей подачей в одну сторону; = l2 = 0,5D 4- 10;
1'2 =10 мм; Ь = (В-1))/2
ностей. В первое входят поверхности, обрабатываемые с приданием
траектории вида замкнутой строки, которой обводится обрабатывае-
мый контур. Такой путь инструмента получил название строка.
Строкой обрабатываются криволинейные контуры плоских деталей.
Во второе семейство входят поверхности, которые обрабатываются
движением инструмента по траекториям, представляющим собой
параллельные строки с противоположными направлениями или спи-
ралеобразные. Этот вид пути инструмента получил название обход.
Обходом обрабатываются выпуклые и вогнутые поверхности про-
странственно-сложных форм (пуансоны, матрицы и т.д.).
Частота строк S (рис. 8.12, а) должна выбираться с учетом до-
пустимой высоты гребешков Н = R^- ^R2<$~ S2/4. Обработка про-
странственно-сложных поверхностей должна производиться обво-
дом инструмента не по эквидистанте, а по расчетной кривой, которая
может быть построена при известных Лд и h = f(R^ Rc$)* При движе-
нии же центра сферического торца фрезы по эквидистанте к контуру
плоского сечения вдоль строки происходят врезания в поверхность
детали (рис. 8.12, б). Траектории инструмента при обработке про-
272	8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
а
Рис. 8.12. Схема образования зарезов (а) и гребешков (б)
при обходе поверхности параллельными строчками
странственно-сложных поверхностей показываются по их контурам
на секущих плоскостях.
Специфичны подходы к проектированию траекторий черновых
и чистовых проходов. Основное требование к черновым проходам —
обеспечение равномерного припуска для чистовых проходов. Если
при чистовых проходах траектория инструмента вполне определен-
ная, то черновые проходы, особенно при обработке выборок, могут
иметь самые разнообразные траектории. Такое многообразие затруд-
няет работу как технологов, так и программистов. Поэтому в станках
с ЧПУ широко используют так называемые типовые траектории.
Так, для случая фрезерной обработки могут быть применены сле-
дующие типовые траектории:
1)	спираль Архимеда с проходами, эквидистантными обрабаты-
ваемому контуру (рис. 8.13, а, б);
2)	ленточная спираль с проходами, эквидистантными обрабаты-
ваемому контуру (рис. 8.13, в);
3)	ленточная спираль с проходами, не эквидистантными обраба-
тываемому контуру (рис. 8.13, г);
4)	сложная траектория, форма которой является комбинацией
предыдущих видов перемещений.
Использование тех или иных типовых траекторий определяется
состоянием заготовки, маркой обрабатываемого материала, а также
типом интерполятора системы ЧПУ станка.
8.4. Выбор траекторий движения режущих инструментов
273
Рис. 8.13. Типовые траектории при фрезерной обработке
(Н — начало обработки; К — конец обработки)
При разработке траектории недопустимы остановка фрезы или
резкое изменение подачи в процессе резания, когда режущие кромки
фрезы соприкасаются с обрабатываемой поверхностью. В этом случае
неизбежны повреждения поверхности (зарезы, подрезы).
На рис. 8.14 показаны два способа обвода контура. При первом
способе (рис. 8.14, а) объем программирования возрастает, однако
скорость контурной подачи постоянна, что обусловливает постоянст-
во упругого отжатия фрезы. При втором способе (рис. 8.14, б) в точке А
траектории скорость контурной подачи примет нулевое значение.
В результате отжатие исчезнет и силы упругости приведут к вреза-
нию фрезы.
б
Рис. 8.14. Схемы обвода контура:
а — эквидистанта при 2)фр < Ьд;
б — эквидистанта при Лфр = Da
Рис. 8.15. Схема искажения
внутреннего обрабатываемого
контура
Обвод внутреннего контура (рис. 8.15) с радиусным закруглением
в вершине, равным радиусу фрезы, сопряжен с возникновением ис-
кажения (зареза) контура вследствие упругих деформаций техноло-
гической системы, поскольку значение скорости подачи в точке А
274	8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
равно нулю. Уменьшение искажений может быть достигнуто сниже-
нием подачи S (S' = 8/3) на участке подхода (с точки А') и предвари-
тельным искажением траектории. При обводе контура деталей могут
встретиться прямые и острые углы, когда скорость замедляется, дос-
тигая нулевых значений (рис. 8.16, а, точка А), а затем начинает резко
возрастать. При этом неизбежно возникновение подрезов. Поэтому
для получения прямых (или острых) углов необходимо предусмат-
ривать петлеобразную (рис. 8.16, б) или дугообразную (рис. 8.16, в)
траекторию.
Рис. 8.16. Траектории инструмента при обводе прямого угла
Черновое фрезерование отверстий концевой фрезой выполняется
с врезанием по радиусу (рис. 8.17, а), а получистовое — с врезанием
сначала по радиусу, а затем по дуге окружности (рис. 8.17, б). При
обработке выемок и карманов в тех случаях, когда предварительное
сверление отверстия для вывода фрезы нецелесообразно, предпочти-
тельна схема, приведенная на рис. 8.17, в. Кольцевые канавки в отвер-
стиях фрезеруются дисковой трехсторонней или однозубой фрезой
по схеме, показанной на рис. 8.17, г. Если ширина канавки превышает
ширину фрезы, выполняется несколько проходов.
Фрезерование внутренних контуров (окон) целесообразно выпол-
нять по схеме, приведенной на рис. 8.17, 5, а наружных контуров —
по схеме, показанной рис. 8.17, е. При этом черновое фрезерование
рекомендуется выполнять с врезанием по радиусу, а получистовое —
по касательной.
Построение траекторий вспомогательных перемещений. В силу
кажущейся простоты обработки технологами зачастую не учитыва-
ются закономерности врезания инструмента в припуск, а также отвода
его от обрабатываемой поверхности. Однако анализ показывает, что
траектория вспомогательных перемещений существенно влияет на
производительность и точность обработки.
При построении траектории часто приходится предусматривать
дополнительные перемещения инструмента. Так, при выборке
8.4. Выбор траекторий движения режущих инструментов
275
Рис, 8.17. Схемы перемещения фрез при обработке криволинейных контуров:
а — черновое расфрезеровывание с врезанием по радиусу; б — получистовое рас-
фрезеровывание с врезанием по радиусу и дуге: в — врезание фрезы зигзагом; г —
обработка кольцевых канавок; д,е — чистовая обработка внутренних и наружных
контуров; Рфр, Во, Вэк, DK — диаметры соответственно фрезы, отверстия, эквиди-
станты, канавки; а = 5... 10° — угол наклона траектории; В, b — ширина канавки и
фрезы соответственно; Н — вылет зуба фрезы
металла внутри контура может использоваться фреза, имеющая ра-
диус, равный радиусу сопряжения стенок (рис. 8.18). После выборки
металла внутри контура остается необработанный участок в виде
криволинейного треугольника 12 3. Для его удаления необходимо
вернуть инструмент в точку А и назначить дополнительный проход
(третий) в Направлении АВ. Если изменить траекторию при втором
проходе, то надобность в третьем отпадет.
При обработке внешнего контура врезание фрезы должно осуще-
ствляться по касательной к контуру (рис. 8.19, а). Здесь участок В'п
27Ь
8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
представляет путь, на котором скорость холостого хода рхх тормо-
зится до скорости подачи врезания увр. На участке Вп происходит
врезание с дальнейшим снижением скорости подачи до рабочего зна-
чения Sp,x. Желательно соблюдать соотношение Bn = (З...4)з.
Рис. 8.18. Схема обработки контура фрезой с радиусом,
равным радиусу сопряжения стенок
В случае обработки внутренних контуров инструмент должен при
врезании в припуск г перемещаться по криволинейной траектории
(рис. 8.19, б). Наиболее приемлемой кривой является участок ок-
ружности радиусом г, определяемый из условия, что путь врезания
равен (3...4)г.
Рис. 8.19. Траектория врезания:
а — при обработке внешнего контура; б — при обработке внутреннего контура;
в — в сплошной металл
Врезание инструмента (фрезы) со стороны его торца (рис. 8.19, в)
осуществляется по пилообразной траектории. При этом во избежа-
ние «затирания» инструмента наклон прямых 1-2, 2-3, ... по отно-
шению к торцу фрезы не должен превышать величины угла а.
8.5.
8.5. Выбор режимов обработки и техническое нормирование	277
Выбор режимов обработки на станках
с ЧПУ и техническое нормирование
8.5.1. Особенности процесса резания
на станках с ЧПУ
Процесс резания на станках с ЧПУ существенно отличается от
данного процесса на станках с ручным управлением. Это обусловлено
изменением ряда геометрических и физических параметров процесса.
При обработке криволинейного участка детали на станке с ЧПУ
резец перемещается по криволинейной траектории. Подача непре-
рывно изменяет свое направление, главный угол в плане ф уменьшает-
ся, а вспомогательный — увеличивается (рис. 8.20). При уменьшении
угла ф ширина среза возрастает, а толщина уменьшается, хотя номи-
нальная площадь среза (на рисунке заштрихована) остается посто-
янной, равной f — St ~ ab.
Рис. 8.20. Углы в плане и сечения среза при обработке
криволинейного участка детали
Поскольку влияние величин а и & на главную составляющую силы
резания описывается зависимостью Рг = Срга°*75д, при перемещении
резца по криволинейной траектории наблюдается изменение уровня
сил резания.
278	8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
Изменение углов в плане влияет на шероховатость обработанной
поверхности. Изменение высоты микронеровностей на криволинейном
профиле наблюдается при обработке острозаточенным резцом и при
участии в работе одновременно прямолинейной и радиусной режущих
кромок. При резании только радиусной кромкой шероховатость оста-
ется практически неизменной.
Изменение углов в плане оказывает влияние на направление схо-
да стружки, которое перпендикулярно к диагонали сечения среза
(рис. 8.21). Угол схода стружки р зависит от углов ф и <рх и отношения
b/а. При больших значениях отношения b/а стружка сходит пример-
но перпендикулярно к главной режущей кромке, а при малых значе-
ниях — примерно перпендикулярно к вспомогательной режущей
кромке. От угла схода стружки зависит действительный передний
угол резца, а также соотношение составляющих <Йл резания Рх и Ру.
Рис. 8.21. Направления.схода стружки
Обработка деталей на станках с ЧПУ часто осуществляется с пере-
менными режимами резания (скоростью и или подачей S) и с изме-
нением по мере необходимости глубины резания. Вследствие этого
изменяются мгновенные значения ширины и толщины среза, а так-
же кинематические углы резца (ук, ак, фк), что не может не сказаться
на уровне целого ряда параметров процесса резания.
При обработке с переменной скоростью резания на 15...20 % воз-
растает уровень сил резания, появляются различия в значениях тем-
пературы резания, несколько ниже период стойкости инструмента.
При обработке с переменной подачей наблюдается обратная карти-
на: уменьшение уровня сил резания, температуры, высоты микроне-
ровностей и повышение периода стойкости инструмента.
Таким образом, резание на станках с ЧПУ имеет ярко выражен-
ный нестационарный характер, поэтому необходимо предъявлять
более жесткие требования к назначению элементов режима резания,
выбору геометрии инструмента и формы пластины.
8.5. Выбор режимов обработки и техническое нормирование	279
8.5.2. Выбор режимов резания
Выбор режимов резания является комплексной технико-эконо-
мической задачей. В целом режимы резания для станков с ЧПУ
находятся в близком соответствии с действующими нормативами.
Однако автоматический процесс обработки предъявляет определен-
ные требования к стойкости инструмента. Рекомендуется сопостав-
лять стойкость и длительность выполнения переходов для одной или
нескольких деталей. Необходимо предусматривать 10... 15% -й запас
стойкости, исключающий потерю инструментом режущей способно-
сти в середине обработки.
При токарной обработке на станках с ЧПУ подача на черновых пе-
реходах назначается максимально допустимой с учетом жесткости
технологической системы и удовлетворительного формирования струж-
ки. Скорость резания рассчитывается по соответствующим формулам
или выбирается по таблицам с учетом стойкости инструмента. Режимы
резания для чистовой обработки назначаются в соответствии с требова-
ниями к шероховатости и точности обработанных поверхностей.
Особенностью большинства эксплуатируемых фрезерных стан-
ков является то, что частота вращения инструмента и интенсивность
охлаждения устанавливаются для данного цикла обработки заранее.
В связи с этим выбранное значение скорости окажется оптимальным
не для всех участков детали. В этом случае используемые методы
расчета режимов резания предусматривают выделение для каждой
операции одного основного участка обработки, для которого нахо-
дятся оптимальные режимы резания (частота вращения и минутная
подача). Для остальных (вспомогательных) участков определяются
неоптимальные, но вполне удовлетворительные значения минутной
подачи при уже известной частоте вращения.
Основной технологический участок выбирается с учетом требова-
ний повышенной точности обработки, минимальной шероховатости,
пониженной жесткости детали и т.д.
При разбивке детали на технологические участки следует учиты-
вать постоянство припуска в пределах участка. Для ширины фрезеро-
вания допускается колебание припуска не более 30 %, а для глубины —
не более 20 %. При обработке детали на фрезерном станке с ЧПУ,
имеющем автоматическое регулирование частоты вращения шпин-
деля, для каждого участка устанавливаются свои оптимальные ре-
жимы резания.
При контурном фрезеровании последний чистовой проход дол-
жен выполняться со снятием припуска не более 0,2Вфр.
280
8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
• При определении подачи необходимо также учитывать, что ско-
рость относительного движения центра фрезы будет отличаться от
скорости периферийных точек, совпадающих с точками контура
детали. При обработке контура эта скорость определяется по фор-
мулам:
для выпуклого
Q/ _ q Д+Дфр
°о.мин — °мин
R
для вогнутого
'S’o.MHH
~ ^"мин
R
подача; R — радиус дуги участка контура:
гДе Змин — минутная
Лфр — радиус фрезы.
8.53. Нормирование операций, выполняемых
на станках с ЧПУ
Штучное время обработки одной детали определяется по тем же
формулам, что и для станков с ручным управлением:
•^шг ~	^обс ’
где t0 — основное время на операцию, мин; tB — вспомогательное вре-
мя, мин; — время на обслуживание рабочего места, мин; tn — вре-
мя на личные потребности рабочего, мин.
Однако для станков с ЧПУ составляющие Тшт имеют особенности.
Так, основное время
где tOj — основное время на выполнение у-го перехода; L — длина ра-
бочего хода с учетом врезания и перебега инструмента, мм; i — коли-
чество проходов; SMIIH — минутная подача, мм/мин.
Вспомогательное время включает затраты времени на установку
и снятие детали fB.y (определяется так же, как для станков с ручным
управлением) и на выполнение вспомогательных перемещений £м.в:
= ^в.у + ^м-в*
8.5. Выбор режимов обработки и техническое нормирование
281
Машинно-вспомогательное время £м.в включает время на пози-
ционирование, ускоренное перемещение рабочих органов, подвод
и отвод инструментов вазону обработки, смену инструментов и т.д.
Оно может быть определено исходя из паспортных данных станка
с ЧПУ.
Продолжительность работы станка по управляющей программе
(*у.п) равна неполному оперативному времени (£оп.н):
^у.п = ^оп.н = ^в+^м-в*
Время на обслуживание рабочего места to6c помимо обычных со-
ставляющих включает время на смену затупившегося инструмента,
коррекцию траектории, регулирование и подналадку станка в тече-
ние рабочей смены. В общем случае для станков с ЧПУ время на
обслуживание рабочего места и личные потребности составляет
8...16 % от основного времени.
При обработке на станках с ЧПУ штучно-калькуляционное время
т» _ гг । ^п-з _	, ^п-з^зап
2 шт-к “* 1 шт	“ 1 шт ”*	77	’
пп	N
где Тп_3 — подготовительно-заключительное время на партию дета-
лей, мин; пп — размер партии деталей, запускаемых в производство;
Лзап — число запусков в год (в условиях серийного производства лзап
равно 4, 6,12 и 24); N — годовой выпуск деталей, шт.
Подготовительно-заключительное время состоит из времени на
получение документации, ввод управляющей программы, привязку
инструмента к системам координат, проверку управляющей про-
граммы в покадровом режиме и др. Величины составляющих подго-
товительно-заключительного времени зависят от конструкции станка,
системы ЧПУ, способа организации производства, способа ввода управ-
ляющей программы (ручной или через компьютер) и ряда других
факторов.
Рассчитать все составляющие Тп.3 часто не удается, и в этом случае
используют следующий прием. Из практики известно распределение
затрат на составляющие Тшт.к: время работы станка по управляющей
программе — 40 %;	+ tn — 14,5; Тп.3 — 17; планируемые потери —
20 %. Поэтому сначала находят длительность цикла обработки по
программе, а затем по приведенным выше данным определяют Тп.3
и, при необходимости, другие составляющие Тшт.к.
8.6.
282	8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
Эффективность работы режущих
инструментов в условиях ГПС
Правильный выбор режущих инструментов может оказывать опо-
средованное влияние на ряд экономических показателей работы ГПС.
В частности, возможно:
□	увеличение режимов резания, что повышает производитель-
ность и снижает себестоимость обработки;
□	резание без использования СОЖ, что может снизить стоимость
производства до 17 %;
□	обработка деталей в закаленном состоянии, что существенно
упрощает технологический процесс обработки;
□	резание в условиях сверхскоростной обработки — HSC {High
Speed Cutting — сверхскоростная обработка);
□	автоматическая диагностика и замена инструментов, позволяю-
щие сократить количество обслуживающего персонала и работать
круглосуточно;
□	сокращение времени замены инструмента, т.е. простоев обору-
дования;
□	увеличение периодов стойкости режущих инструментов, а зна-
чит — сокращение количества их замен и связанных с этим простоев
оборудования;
□	уменьшение рассеивания периодов стойкости режущих инст-
рументов, влияющее на длительность безотказной работы оборудо-
вания, частоту замен инструментов и простои оборудования;
□	использование универсальных инструментов, что сокращает
их общее количество и стоимость, а также может существенно повли-
ять на комплектование инструментальных магазинов — сокращается
количество инструментов, не принимающих участие в обработке дан-
ной детали, но «ожидающих» участия в обработке других деталей;
□	расширение технических ограничений процесса обработки (на-
пример, увеличение максимальных силы резания, жесткости оправки
и т.д.);
□	повышение качества обработанной поверхности, изменение ус-
ловий ломания стружки и т.д.
Выбор инструментов для обработки конкретной детали основыва-
ется на технических, технологических и экономических критериях
(на практике используются не все показатели, а только наиболее
простые и доступные, преимущественно технические и технологиче-
ские).
8.6. Эффективность работы режущих инструментов в условиях ГПС 283
Технические критерии выбора режущих инструментов:
□	форма шпиндельного отверстия или гнезда револьверной го-
ловки;
□	возможность автоматической смены инструмента (использова-
ния автооператора);
□	способ идентификации (кодирования) инструмента;
□	возможность обмена информацией между инструментом и сис-
темой управления ГПС (мониторинг);
□	возможность ввода СОЖ непосредственно в зону резания через
каналы в теле инструмента;
□	возможность обработки всухую или в условиях минимального
расхода СОЖ;
□	возможность предварительной настройки инструмента на раз-
мер вне станка и его подналадки непЪсредственно на станке;
□	высокая точность положения вершины инструмента при его
замене, не требующая регулировки на размер или коррекции про-
граммы обработки;
□	простота заточки лезвий или замены сменной пластины;
□	диапазон стабильной работы, возможность гашения колебаний;
□	возможность динамической балансировки;
□	прочность и жесткость инструмента.
Технологические критерии выбора режущих инструментов:
□	возможность обработки данной формы поверхности (плоской,
вращения, фасонной, резьбовой и т.д.);
□	возможность обеспечения требуемого качества обработанной
поверхности (шероховатости, волнистости, упрочнения и т.д.);
□	возможность уменьшения рассеивания точности обработки
и качества обработанной поверхности;
□	соответствие свойств обрабатываемого и инструментального
материалов;
□	возможность использования СОЖ;
□	высокие износостойкость и прочность инструмента;
□	возможность дробления стружки в широком диапазоне режи-
мов обработки;
□	правильное сочетание формы режущих лезвий с условиями об-
работки, например, в условиях прерывистого резания, резания по
корке, обработки труднодоступных мест и т.д.
Экономические критерии выбора режущих инструментов:
□	цена инструмента и стоимость его эксплуатации;
□	условия договора о поставке инструмента между потребителем
и производителем;
284	8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
□	необходимость использования существующего на ЦИСе запаса
инструментов;
□	требуемый период стойкости инструмента;
□	рассеивание периодов стойкости, влияющее на время безотказ-
ной работы инструмента и выбор способа мониторинга его работы;
□	возможность использования более жестких режимов обра-
ботки при сохранении необходимого качества обработанной поверх-
ности;
□	время замены изношенной вершины инструмента или инстру-
мента в целом;
□	наличие инструмента на ЦИСе или доступность на рынке.
Могут использоваться и иные критерии выбора инструмента, на-
пример, традиции производства, стажировка работников на фир-
ме — производителе инструмента, реноме этой фирмы и т.д.
На рис. 8.22 показаны составляющие общей стоимости операции
при использовании режущих пластин из различных инструменталь-
ных материалов [6]:
□	твердого сплава H20S (ТТ8К6) без покрытия;
□	особомелкозернистого твердого сплава TN250 с покрытием;
□	режущей керамики АС5.
Из рисунка видно, что наибольшее влияние на стоимость обработки
оказывают основное время to и время на определение и ввод необхо-
димой коррекции параметров в программу обработки tK при условии,
что в этих действиях будет принимать участие рабочий. Остальные
показатели имеют гораздо меньшее значение.
По мере совершенствования режущих инструментов и гибких
производственных модулей, входящих в состав ГПС, основное время
обработки to будет иметь все меньшее значение, а влияние вспомога-
тельного tB, подготовительно-заключительного времени /п..3 и вре-
мени диагностики состояния инструмента Gyppr возрастать.
В мировой практике существует три системы организации инст-
рументального хозяйства:
1)	соответствующие структуры внутри предприятия;
2)	независимая фирма, отвечающая за эксплуатацию инструмен-
тов и гарантирующая оговоренный заранее вклад инструментов в об-
щую стоимость продукции;
3)	экономически независимые структуры предприятия, связан-
ные с эксплуатацией инструментов.
В практике промышленных предприятий стран СНГ фактически
используется только первая из систем. В этом случае основной целью
Рис. 8.22. Вклад различных показателей обработки в ее стоимость [6]:
to — основное время; tK — время на определение и ввод коррекции в программу об-
работки; n — время на подготовку производства; /в — вспомогательное время;
tn ,3 — подготовительно-заключительное время, x — время холостых ходов; ta —
время диагностики состояния инструмента; t„ — стоимость пластин;	— время
на повторную подготовку производства; *см — время смены инструмента; ty — вре-
мя функционирования системы управления; — стоимость вспомогательного
инструмента
ее функционирования является снижение стоимости производства,
причем возможны два способа определения этой стоимости:
1) определяется стоимость каждой операции S, и на этой основе
для нее подбираются режущие инструменты. Целью выбора может
быть либо снижение стоимости при сохранении производительности
обработки, либо увеличение производительности до определенного
уровня (например, при «расшивке* узких мест);
2) определяется стоимость продукции для ГПС в целом S% с уче-
том поточного производства и такта выпуска.
В первом случае для расчета стоимости i-й операции при обработ-
ке партии деталей может быть использована формула
о _	i®oi *	,
------лп-----
60
где SC,.M i — стоимость станко-минуты работы гибкого производствен-
ного модуля, учитывающая амортизационные отчисления, стоимость
энергии, обогрева, ремонтов и др.; \ — коэффициент, учитывающий
286	8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
многостаночное обслуживание; So i — часовая ставка зарплаты опе-
ратора; tmi — штучное время; Sy/ — стоимость у-го режущего инстру-
мента, отнесенная к периоду его стойкости; — количество деталей,
обработанных у-м инструментом за период его стойкости; п — коли-
чество инструментов, участвующих в i-й операции.
Штучное время обработки на i-й операции
, _ 31
'"‘=“лГ
п
п	п	£(*сму/+*к//)
~ Т7
/=1	/=1
(1 + ^д /),
где tn..3 i — подготовительно-заключительное время; — количество
деталей в партии; tQ — основное время работы у-м инструментом;
tByi — вспомогательное время работы у-м инструментом; £сму/ — время
смены у-го инструмента; tK ц — время на определение и ввод коррек-
ции в программу обработки для у-го инструмента; кд — коэффици-
ент, учитывающий дополнительное время.
Стоимость работы у-го режущего инструмента, отнесенная к пе-
риоду его стойкости,
О -	. Q _l Q	к ттк	Q _	^опр/ ,	Sc.H.ny-
Оу- —	+ ^зат j + *^покр j	ИЛИ	оу —	+	Му,
^с.н.пу
где SMy- — стоимость перетачиваемого инструмента; ту — количество
возможных переточек; S3aT у — стоимость заточки; Sn0Kp у — стои-
мость нанесения покрытия; Sonpy — стоимость оправки (корпуса) ин-
струмента; тпс.н.п j — количество замен сменных неперетачиваемых
пластин, которое может выдержать оправка до повреждения; Sc.H.ny—
стоимость сменной неперетачиваемой пластины; тву — число вершин
пластины; nj — количество пластин в режущем инструменте.
Количество деталей, обработанных у-м инструментом за период
его стойкости,
2V = — = ^рху =
' £oy Syny lOOQSjVj ’
где Tj — период стойкости у-го инструмента; Lp x у — длина рабочего
хода инструмента; Sy — подача; пу — частота вращения шпинделя; Dj —
диаметр обрабатываемой поверхности или инструмента; Vj — скорость
резания.
8.6. Эффективность работы режущих инструментов в условиях ГПС 287
С экономической точки зрения наилучший инструмент обеспечи-
вает минимальное значение стоимости своей работы Sj. При этом
возможны несколько сочетаний стоимости сравниваемых инстру-
ментов (условно — 1 и 2) и периодов их стойкости:
1)	S7i > Sy2; < Т2 — не имеет практического значения, поскольку
нет смысла использовать более дорогой и менее работоспособный ин-
струмент;
2)	Sji < Sj2; ТХ>Т2 — наиболее благоприятное сочетание;
3)	Sp > Sj2; Т\>Т2 — более дорогой, но и более работоспособный
инструмент. Такое сочетание целесообразно, если:
□	при постоянстве режима резания период стойкости более доро-
гого инструмента будет достаточно высок, чтобы сокращение времени
смены инструмента, отнесенное к одной детали, повлияло на произ-
водительность обработки;
□	при постоянной стойкости можно увеличить режим резания
и тем самым уменьшить основное время обработки, увеличить про-
изводительность и снизить стоимость обработки;
□	имеет место комбинация двух данных вариантов, т.е. одновре-
менное увеличение стойкости инструмента и режима обработки;
4)	Syl < Sj2; ТХ<Т2 — возможно при условии, что меньший период
стойкости существенно не увеличит частоту смены инструмента и, со-
ответственно, производительность обработки.
При определении стоимости продукции для ГПС в целом можно
воспользоваться уравнением
X Q \	X П Q
+ У^ tT+yy±L
во J
q - | V Sc.-Mi ~ Л *
Oy —	/---------- ,
60	60
где — tT средний такт выпуска; x — количество гибких производст-
венных модулей в данной ГПС.
Средний такт выпуска при работе ГПС учитывает наличие в ней
промежуточных накопителей, разное время работы различных произ-
водственных модулей и может быть определен следующим образом:
где N* i — количество деталей в Z-м промежуточном накопителе; N —
количество рабочих мест в ГПС; trmax — максимальный такт выпуска;
288
8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
Гсм— неперекрываемое время смены инструментов за период (^ттах ~ ^о)
работы гибкого модуля; tn — время перерывов в работе ГПС.
Максимальный такт выпуска равен максимальному времени об-
работки на всех рабочих местах ГПС:
шах
где toj'9 t^j — основное и вспомогательное неперекрываемое время.
Для упрощения расчетов при определении стоимости продукции
для ГПС в целом можно воспользоваться уравнением
х
max
lex
Первый член этого уравнения рассчитывает среднюю стоимость
продукции на рабочем месте ГПС, второй учитывает неравномер-
ность загрузки рабочих мест, а третий — стоимость режущих инст-
рументов.
Основным критерием при выборе режущего инструмента для ра-
боты в условиях ГПС является ответ на следующий вопрос: что вы-
годнее — использовать дорогой инструмент высокой стойкости или
более дешевый меньшей стойкости? При решении данного вопроса
принимаются во внимание стоимость инструмента, стоимость про-
изводства детали и взаимное отношение этих величин.
Рассмотрим влияние некоторых факторов обработки на ее экономи-
ческие показатели и производительность (расчеты выполнены в со-
поставимых ценах). Если обработка выполняется при постоянных
условиях, а изменяется только стойкость инструмента (инструмент
другой фирмы, с иной геометрией и т.д.), то изменение стоимости об-
работки описывается следующими зависимостями (рис. 8.23). Если
обработка каждым инструментом выполняется на оптимальной скоро-
сти резания, то последняя возрастает по мере роста стойкости инст-
румента (но не более чем на 3...4 %), что снижает стоимость обработки
на 1...2 %.
8.6. Эффективность работы режущих инструментов в условиях ГПС 289
/-------►
Рис. 8.23. Влияние периода стойкости инструмента на стоимость
обработки детали:
1 — Т= 100 %; 2— Т=50 %; 3 — Т= 500 %
Приведенные зависимости характерны для перетачиваемых ре-
жущих инструментов и инструментов сборных конструкций. В по-
следнем случае, однако, решающую роль играет стоимость сменной
пластины. Возрастание ее в 4 раза увеличивает стоимость обработки
на 8...Э % (рис. 8.24), тогда как стоимость державок, корпусов и т.д.,
разложенная на десятки и сотни периодов стойкости, практического
влияния не оказывает.
Рис. 8.24. Влияние стоимости режущей пластины на стоимость
обработки детали:
1 — Sc.H.n = 100 %; 2 — S,M „ = 300 %; 3 — Sc.H.n = 400 %; 4 — Sc Й.п = 0 %
При анализе эффективности обработки важно учитывать соотно-
шение стоимости инструмента и его эксплуатационных возможно-
стей. Часто более дорогой инструмент одновременно имеет и более
высокие оптимальные скорости резания. Если этого не учитывать,
290	8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
можно принять ошибочное решение о выборе инструмента (рис. 8.25).
Так, инструмент 2 при работе со скоростью резания характерной
для инструмента 1, оказывается непригодным, а при работе на опти-
мальной скорости и2 — обеспечивает снижение стоимости обработки.
Рис. 8.25. Влияние стоимости и качества инструмента
на стоимость операции
Как видно из рис. 8.22 (см. с. 285), значительная доля общей стоимо-
сти обработки детали приходится на время fK, связанное с корректи-
ровкой условий обработки. Такие действия необходимы при замене
инструмента или сменной пластины, когда изменяется положение
вершины инструмента и необходимо вносить поправки в программу
обработки. Влияние времени tK на стоимость обработки детали пред-
ставлено на рис. 8.26. Здесь кривая 1 соответствует случаю iK = 0, ко-
гда все поправки определяются заранее, вне станка; кривая 2 —
Рис. 8.26. Влияние времени определения и ввода коррекции
на стоимость операции
8.6. Эффективность работы режущих инструментов в условиях ГПС 291
случаю £к = 2 мин, когда часть инструментов настраивается заранее
вне станка, а для определения положения вершины остальных непо-
средственно на станке используются измерительные зонды; кривые
3, 4 — случаям tK = 10 и 20 мин, когда для определения коррективов
необходимо выполнять дополнительные пробные проходы.
На основании зависимостей, показанных на рис. 8.26, можно по-
строить номограмму для определения возможности использования
более дорогих, но не требующих коррекции режущих инструментов
(рис. 8.27). Принимая за базовое время £к= 10 мин, можно установить,
что при времени tK = 5 мин инструмент может быть дороже в 2,5 раза,
а при tK = 0 мин — в 4 раза.
Рис. 8.27. Взаимосвязи между временем коррекции условий обработки
и стоимостью режущего инструмента [7]
При анализе условий работы инструмента необходимо рассмот-
реть влияние условий смены инструмента. Здесь существуют сле-
дующие возможности.
1. Производится замена целого инструментального блока (режу-
щего инструмента и шпиндельной оправки). Замена осуществляется,
когда инструментальный бдок находится в магазине производствен-
ного фрезерно-расточного модуля, причем это действие относится
сразу к большой группе инструментов. Вместо изношенных блоков
в гнезда магазина устанавливают новые, с уже настроенными на
размер и не требующими коррекции инструментами. В этом случае
влияние времени смены инструмента на стоимость операции имеет
маргинальный характер.
2. Производится поворот или замена пластины в оправке режу-
щего инструмента, установленного в револьверной головке токарно-
го производственного модуля. В зависимости от конструкции узла
292	8. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ
крепления пластины время замены может изменяться в достаточно
широких пределах, поэтому с целью его сокращения можно исполь-
зовать более дорогой инструмент (рис. 8.28). Следует отметить, что
стоимость обработки при этом изменяется незначительно, однако
оператор имеет больше свободного времени для выполнения каких-
либо дополнительных функций (контроль деталей, многостаночное
обслуживание и т.д.).
Рис. 8.28. Взаимосвязи между временем смены инструмента
и его стоимостью:
1 -	2 -2*см; 3-0,05fCM
Таким образом, правильный выбор условий обработки деталей на
ГПС может существенно повлиять на экономические показатели
функционирования этой системы. Наиболее важно оптимизировать
основное время обработки, время на определение и ввод коррекции
в программу обработки и время на подготовку производства.
Литература
1.	Фельдштейн Е.Э. Режущий инструмент и оснастка станков с ЧПУ /
Е.Э. Фельдштейн. Мн.: Выш. шк., 1988. 336 с.
2.	Дерябин А.Л. Программирование технологических процессов на стан-
ках с ЧПУ / A.JI. Дерябин. М.: Машиностроение, 1984. 224 с.
3.	Фролов Н.Н. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ /
Н.Н. Фролов. Тула: Изд-во ТПИ, 1991.130 с.
4.	Эстерзон М.А. Технология обработки корпусных деталей на многоин-
струментных расточно-фрезерно-сверлильных станках с программным
управлением / М.А. Эстерзон. М.: НИИМаш, 1981. 64 с.
Литература	293
5.	Эстерзон М.А. Технология обработки на станках с программным
управлением / М.А. Эстерзон и др. М.: НИИМаш, 1974. 152 с.
6.	Cichosz Р. Economiczne aspekty doboru narz^dzi skrawaj^cych do zada-
nia produkcyjnego / P. Cichorz // Mechanik. 2004. № 2. S. 642-647.
7.	Cichosz P. Przyklady economicznej analizy doboru narz^dzi skrawaj^cych
do zadania produkcyjnego. Cz. II // Mechanik. № 11. 2004. S. 730-735.
Оглавление
Предисловие..............................................3
Список основных сокращений ..............................5
1.	Общие сведения о гибкой автоматизации производства.....6	.
1.1.	Основные понятия гибкой автоматизации
производства .......................................6
1.2.	Сущность гибких производственных систем.........8
1.3.	Тенденции развития гибких производственных
систем ............................................10
1.4.	Эффективность гибкой автоматизации производства ... 12
Литература .........................................16
2.	Основы построения гибких производственных систем ....17
2.1.	Элементы производственного процесса ...........17
2.2.	Структура гибких производственных систем ......19
2.3.	Формы организации гибких производственных систем 21
2.4.	Стратегии организации производства ............30
2.5.	Средства гибкой автоматизации производства ....31
Литература .........................................38
3.	Станки, используемые в гибких производственных
системах................................................39
3.1.	Тенденции развития автоматизированных
металлорежущих станков.............................39
3.1.1.	Общие сведения ......................... 39
3.1.2.	Производительность и надежность станков..42
3.1.3.	Технологическая гибкость и автоматизация.43
3.1.4.	Точность станков ........................44
3.1.5.	Агрегатирование станков .................44
3.2.	Станки с ЧПУ и обрабатывающие центры токарной
группы.............................................47
3.2.1.	Тенденции развития ......................47
3.2.2.	Компоновочные схемы......................49
3.2.3.	Технологические возможности ....v........53
3.3.	Станки с ЧПУ и обрабатывающие центры
сверлильно-фрезерно-расточной группы ..............59
3.3.1.	Тенденции развития ......................59
3.3.2.	Компоновочные схемы....................\	60
3.4.	Конструкции многоцелевых станков типа гексапода ... 62 ч
Оглавление	295
3.5.	Шлифовальные станки с ЧПУ.....................64
3.6.	Устройства для замены деталей и режущих
инструментов ......................................65
3.6.1.	Устройства для автоматической замены
деталей........................................65
3.6.2.	Магазины режущих инструментов ..........67
3.6.3.	Механизмы автоматической смены
инструментов ..................................68
3.7.	Устройства для транспортирования стружки......77
Литература ........................................78
4.	Системы управления станками ........................79
4.1.	Классификация систем управления станками......79
4.2.	Оси координат и структуры движений станков с ЧПУ ... 80
4.3.	Разработка, отладка и корректирование
управляющих программ ..............................83
4.3.1.	Разработка управляющих программ ........83
4.3.2.	Отладка и корректирование программ .....95
Литература ........................................99
5.	Обеспечение заготовками и деталями в гибких
производственных системах.............................100
5.1.	Назначение и функции подсистем обеспечения
заготовками и деталями ...........................100
5.2.	Подсистема транспортирования изделий ........101
5.2.1.	Классификация транспортных средств.....101
5.2.2.	Палеты для складирования и транспортирова-
ния деталей типа тел вращения ................103
5.2.3.	Палеты для складирования
и транспортирования корпусных деталей ........106
5.2.4.	Устройства для перемещения деталей ....111
5.2.5.	Выбор областей использования транспортных
средств ......................................126
5.3.	Подсистема складирования изделий. Магазины ..128
5.3.1.	Классификация магазинов
и подсистем складирования ....................128
5.3.2.	Центральные магазины...................130
5.3.3.	Магазины на рабочих местах для обработки
деталей типа тел вращения ....................134
5.3.4.	Магазины на рабочих местах для обработки
корпусных деталей ............................137
296	Оглавление
5Л. Подсистема манипулирования ....................139
5.4.1.	Устройства для манипулирования деталями
типа тел вращения ...........................139
5.4.2.	Устройства для манипулирования корпусными
деталями.....................................141
5.5.	Кодирование деталей и заготовок ..............141
5.5.1.	Штриховые коды .........................141
5.5.2.	Электромагнитные коды ..................143
5.6.	Зажимные приспособления ......................144
5.6.1.	Требования к приспособлениям............144
5.6.2.	Зажимные приспособления к станкам
токарной группы..............................145
5.6.3.	Приспособления к станкам
сверлильно-фрезерно-расточной группы..........148
Литература.........................................153
6.	Инструментообеспечение гибких автоматизированных
производств ...........................................154
6.1.	Состав системы инструментообеспечения ........154
6.2.	Конструкции инструментальной оснастки.........159
6.2.1.	Требования к инструментальной оснастке .159
6.2.2.	Способы присоединения инструментального
блока к шпинделю.............................161
6.2.3.	Точность и податливость инструментальных
блоков ....................................  167
6.2.4.	Гашение колебаний и балансировка
инструментальных блоков.......................170
6.2.5.	Модульные системы вспомогательной
оснастки .....................................175
6.3.	Инструментальная оснастка станков
сверлильно-фрезерно-расточной группы ..............177
6.4.	Инструментальная оснастка станков токарной
группы ...........................................183
6.5.	Быстросменные конструкции режущих
инструментов .....................................186
6.6.	Настройка инструментов на размер вне станка...189
6.7.	Кодирование инструментов .....................199
6.8.	Транспортирование инструментов ...............203
Оглавление
297
6.9.	Автоматическая смена изношенных инструментов	....208
6.10.	Управление системой инструментообеспечения .....211
Литература............................................212
7.	Надзор и диагностика в гибких производственных
системах..................................................214
7.1.	Общие сведения о надзоре и диагностике
технологических машин ............................214
7.1.1.	Методология технической диагностики........214
7.1.2.	Структура и задачи систем надзора
и диагностики ГПС.............................215
7.2.	Диагностика металлорежущих станков
и технологической оснастки.........................216
7.2.1.	Задачи и принцип действия системы
диагностики ..................................216
7.2.2.	Диагностика основных узлов и элементов
станка .......................................220
7.2.3.	Предотвращение аварийных ситуаций .........222
7.3.	Диагностика режущих инструментов и процесса
обработки ........................................223
7.3.1.	Задачи системы диагностики ................223
7.3.2.	Прямые методы диагностики..................225
7.3.3.	Косвенные методы диагностики ..............233
7.4.	Диагностика точности обработки деталей ..........250
7.4.1.	Измерения в рабочей зоне станка............250
7.4.2.	Измерения вне станка.......................251
Литература............................................252
8.	Технология обработки деталей на станках с ЧПУ..........254
8.1.	Маршрут обработки и структура операционного
технологического процесса.........................254
8.1.1.	Маршрут обработки деталей .................254
8.1.2.	Структура операционного
технологического процесса...................  255
8.2.	Последовательность обработки типовых деталей
и поверхностей ...................................256
8.3.	Межоперационные припуски и допуски ..............259
8.4.	Выбор траекторий движения режущих
инструментов .....................................260
298	Оглавление
8.5.	Выбор режимов обработки на станках с ЧПУ
и техническое нормирование ......................277
8.5.1.	Особенности процесса резания на станках
сЧПУх..................................277
8.5.2.	Выбор режимов резания.................279
8.5.3.	Нормирование операций, выполняемых
на станках с ЧПУ ............................280
8.6.	Эффективность работы режущих инструментов
в условиях ГПС...................................282
Литература......................................292
Учебное издание
Техническое образование
Фельдштейн Евгений Эммануилович
Корниевич Михаил Анисимович
Обработка деталей
на станках с ЧПУ
Учебное пособие
Ведущий редактор
Редактор
Художник обложки
Компьютерная верстка
Корректор
ЛА. Крупич
О.В. Литвинова
С.В. Ковалевский
С.И. Лученок
Л.К. Мисуно
Подписано в печать с готовых диапозитивов 29.06.2007.
Формат 60x84 1/]в. Бумага газетная. Гарнитура Школьная.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 17,73. Уч.-изд. л. 17,6.
Тираж 2010 экз. Заказ № 1928.
Общество с ограниченной ответственностью «Новое знание».
ЛИ № 02330/0133439 от 30.04.2004. Минск, пр. Пушкина, д. 15, ком. 16.
Почтовый адрес: 220050, Минск, а/я 79.
Телефон/факс: (10-375-17)211-50-38. E-mail: nk@wnk.biz
В Москве:
Москва, Колодезный пер., д. 2а.
Телефон (495) 234-58-53. E-mail: ru@wnk.biz
http://wnk.biz
ГУП РК «Республиканская типография им. П.Ф. Анохина».
185005, г. Петрозаводск, ул. Правды, 4.