5. Инструментальное обеспечение гпс

Организация инструментального обеспечения ГПС зависит во многом от организации всего инструментального хозяйства предприятия и непосредственно влияет на объем и автоматизацию всех контрольно-измерительных работ. Надлежащая организация инструментального хозяйства и выполнение контрольно-измерительных работ могут быть обеспечены только, если они рассматриваются как единая организационная система. Вся совокупность производственных задач организации инструментального хозяйства и контрольно- измерительных работ может быть систематизирована следующим образом.

Центральный инструментальный склад завода. Центральный склад осуществляет приемку, хранение, учет и выдачу всей технологической оснастки (покупной и собственного изготовления режущий, формирующий, контрольный инструмент и другую оснастку). Задача склада состоит не просто в складировании, учете и раздаче, а прежде всего в своевременном обеспечении инструментом и оснасткой всех производственных участков, включая и ГПС, предприятия по их автоматическому запросу. Можно выделить следующие функции склада как автоматической системы:

- снабжение и учет имеющегося количества, необходимой номенклатуры инструмента по общепринятой или ведомственной классификации;

- контроль качества поступающих покупных изделий на склад;

- сортировка, если необходимо, дополнительная сборка, маркировка и кодирование в соответствии с принятой на данном предприятии системой кодов;

- автоматическое хранение и выдача инструмента по автоматическому запросу поштучно или наборами, включая автоматический подбор и установку на транспортную тару, которая определенным образом адресуется и проверяется на соответствие запроса.

Межцеховые, межсистемные транспортные средства, связывающие различные производственные подразделения и ГПС. Возможны три организационных варианта: 1) межсистемные, специально для доставки инструмента и оснастки, 2) общие межцеховые транспортные и 3) общие для межцеховой, межсистемной и внутрисистемной (межоперационной) транспортировки.

Инструментальный цех, производящий специальную оснастку, специальный инструмент, штампы, пресс-формы, приспособления и восстановление, заточку инструмента. На переходном этапе от традиционного к гибкому производству наличие таких цехов, видимо, будет неизбежным. В дальнейшем с углублением специализации, стандартизации и унификации технологической оснастки потребность в инструментальных цехах отпадет. Специальная оснастка будет изготовляться на ГПС основного производства.

Система обеспечения качества продукции и организации технического контроля. В ее состав должны входить:

- подсистема управления качеством продукции, автоматический сбор и анализ информации о качестве продукции, причинах брака; статистические методы управления качеством, организационные меры и предписания по обеспечению качества;

- центральная лаборатория точных измерений, метрологическое обеспечение качества продукции, контроль и систематическая аттестация средств измерений, хранения эталонов, контроль за состоянием метрологических средств и контрольно-измерительных машин с ЧПУ;

- контрольно-измерительный модуль, включающий автоматический мониторинг получения заданных размеров во время обработки, адаптивный контроль размеров в процессе резания, цикловой контроль (проверка размеров на станке между переходами) и систему автоматической подналадки инструмента на размер между переходами или в процессе резания за счет обратной связи с ЧПУ.

Инструментальный модуль ГПС как целевая составляющая механообрабатывающей ГПС включает:

- весь режущий и контрольный инструмент переменного количества и номенклатуры, обеспечивающий обработку различных групп деталей в пределах технологических возможностей станочных модулей;

- комплекс оборудования участка настройки инструмента вне станка, наладки Многорезцовых блоков, комплектации сменных инструментальных магазинов или других накопителей как индивидуальных, так и общих, централизованных магазинов, автоматических инструментальных складов на все или отдельные станочные модули в ГПС;

- транспортные средства доставки: инструмента к магазинам на станках или инструментальным складам ГПС, магазинов к станкам и их установки на станках, а также средства загрузки инструмента в магазины на станках или в склады и подачи инструмента со склада на станок (роботы, транспортеры, робокары и пр.);

- автоматические системы мониторинга состояния, стойкости каждого инструмента, его поломки, измерения износа и осмотра режущей кромки, учета отработанного ресурса и замены дублерами.

Из перечисленного следует выделить контрольно-измерительный модуль, включающий автоматический мониторинг получения заданных размеров (из системы обеспечения качества), и инструментальный модуль, которые непосредственно входят в состав ГПС. Они тесно связаны между собой физически и программным обеспечение, так как могут использовать общие средства, датчики, контрольные щупы.

Практика эксплуатации первых ГПС показывает, что работа контрольно-измерительного и инструментального модулей больше всего зависит от всякого рода случайностей. Их состояние, жизнеспособность менее предсказуемы, чем других модулей. Работа именно этих модулей определяет качество продукции, а во многом и производительность в результате сокращения суммарных потерь времени на инструмент.

Гибкость производственных систем находится в непосредственной зависимости от всех перечисленных модулей, каждый из которых имеет свои факторы гибкости. Например, одним из факторов гибкости инструментального модуля является относительное количество видов инструмента, которое можно измерять отношением максимального количества различных технологических переходов к минимальному количеству наименований инструмента, требуемого для выполнения этих переходов. Общее количество имеющегося инструмента должно быть достаточным, но оно практически не влияет на гибкость системы. Главным является не столько сокращение общего количества инструмента, сколько сокращение количества видов инструмента, сокращение числа настроек и всякого рода перемещений инструмента. В противном случае большое количество наименований инструмента влечет за собой увеличение числа настроек инструмента вне станка, которые долгое время будут выполняться вручную, снижает эффективность использования инструмента и, что не менее важно, ведет к большей вероятности внесения ошибок со стороны человека, а в случае автоматической поднастройки увеличивает цикл обработки каждой детали.

Гибкость производственной автоматизированной системы зависит, прежде всего, от величины номенклатуры, универсальности, унификации и стандартизации инструмента, его оправок, державок и блоков, в которых инструмент закрепляется. Гибкость системы выше при выполнении малым числом наименований инструмента большего числа технологических переходов. В системе должно быть достаточное количество инструментов-дублеров, чтобы своевременно менять вышедший из строя инструмент. Общее количество инструмента рассчитывается с учетом времени, необходимого на восстановление инструмента, и поэтому может быть весьма значительным. Однако универсальность инструмента остается главным фактором, влияющим на гибкость системы. Чем меньше количество перестановок инструмента, чем больше число переходов можно выполнить одним инструментом, тем выше гибкость системы в целом. Количество наименований инструмента, находящегося в пользовании в одной ГПС, достигает нескольких тысяч.

Рационализация использование различных наименований инструмента дает разительные результаты. Например, для обработки 85 различных деталей раньше требовалось около 600 различных инструментов, после рационализации стали обходиться только 63 видами инструмента. В данном случае рационализация осуществлялась как с целью создания комбинированного инструмента, так и соответствующего изменения конструкции деталей. Целью рационализации должно быть установление минимального количества инструмента, которым может быть обработана любая группа деталей. Например, пазы на детали можно обработать концевыми фрезами диаметром, равным ширине паза, но тогда потребуется количество мерных фрез, равное количеству пазов различной ширины. А можно иметь фрезу диаметром, равным наименьшему по ширине пазу, более широкие пазы обрабатывать в несколько проходов, тогда, количество фрез может быть доведено до одной. Концевыми фрезами диаметром 5, 10 и 20 мм можно обработать практически любые пазы по ширине, заменяя почти 350 фрез различного диаметра.

Выполнение 90% всех возможных переходов требует около 70 инструментов фрезерно-расточно-сверлильной группы и 25 токарной группы. В ГПС несмотря ка повышение коэффициента использования станков общий расход инструмента уменьшается из-за более полного использования ресурса его стойкости и автоматической подналадки на размер, что сокращает складские запасы и расходы, связанные с инструментом по всем статьям. С ростом количества одновременно обрабатываемых видов деталей относительно сокращается и количество видов инструмента, т.е. необходимая и достаточная номенклатура инструмента. Кривая зависимости количества необходимых видов инструмента от количества одновременно полностью обрабатываемых деталей растет по экспоненте. Анализ отдельных частных случаев показывает, что для полной обработки, например, каких-то 5 – 6 случайно выбранных деталей может потребоваться до 350 видов инструмента, а 10 – 12 деталей только 400-450 видов.

Количество необходимых наименований инструмента в ГПС может быть уменьшено путем рационализации существующих и разработки новых, соответствующих концепции гибкого производства конструкций инструмента, но больший вклад в решение этой сложной задачи может внести улучшение конструкции деталей и узлов в момент их разработки в конструкторском бюро. Конструктор должен исходить из имеющихся в производстве видов инструмента и из максимального удовлетворения основного требования гибкого производства – как можно более завершенной обработки каждой детали на одном станке. Конструктор не должен конструировать детали так, чтобы каждый раз добавлять новые наименования инструмента. Он должен пользоваться утвержденным, единым для всех списком наименований инструмента.

Необходимо формализовать описание и представление данных по каждому инструменту, включенному в банк данных. Такое формализованное описание должно содержать не только данные по инструменту: тип твердосплавной пластины, геометрию заточки, материал пластины, вид технологических переходов, рекомендации по обрабатываемому материалу, его термообработку, твердости, наличие охлаждения, но и условия резания, т.е. зависимость скорости резания от величины подач, предполагаемую при этом стойкость в минутах, потребляемую мощность при заданной глубине резания и обеспечиваемое качество поверхности, а также количество и дату пересмотра уточнения этого описания. Вызывая такую формализованную карту по каждому инструменту на видеотерминал, конструктор-технолог при конструировании детали может сделать надлежащий выбор инструмента и условий его работы и ввести их в программу технологической подготовки.

Особенностью режущего инструмента и вспомогательной оснастки для металлорежущих станков с ЧПУ, работающих в составе ГПС, является модульный принцип их конструкции, позволяющий осуществлять быстрее их комплектацию, автоматическую смену, настройку и поднастройку.

Применительно к ГПС доминирующее положение занял инструмент с механическим креплением неперетачиваемых пластин из различных инструментальных материалов. В подавляющем большинстве случаев инструмент размещают в блоке или стандартной кодированной оправке. Он подлежит смене вместе с этим блоком или оправкой (фрезерно-расточная группа ОЦ). На ТОЦ часто меняется только головка с режущей пластиной. Это позволяет не нарушать общую наладку на обрабатываемые детали.

Многогранные неперетачиваемые пластины для оснащения резцов, сверл, концевых фрез и расточного инструмента в основном выпускают для их крепления в корпусах инструмента через центральное отверстие. Значительно усложнена форма передних поверхностей пластин, что сделано с целью увеличения количества различных переходов, выполняемых одним инструментом, и оптимизации формирования и дробления стружки при определенных сочетаниях глубины резания и подач. Это имеет большое значение для инструмента, работающего в условиях полной автоматизации. Достигнуты определенные успехи в применении минералокерамических материалов для изготовления режущих пластин, улучшении их физико-механических и режущих свойств, совершенствовании конструкций режущих пластин из этих материалов, которые по геометрическим параметрам приближаются к пластинам из твердых сплавов.

Широко распространяется прогрессивный инструмент с многогранными пластинами, покрытыми износостойким покрытием (нитрид титана). Значительно усовершенствованы конструкции корпусов фрез, резцов, сверл, многие из них обеспечивают автоматическую подналадку на размер, быструю смену пластин и охлаждение через державку.

В ГПС при работе более длительное время особое значение приобретают быстрота смены инструмента и сокращение количества его смен, так как в одной системе количество смен инструмента может достигать более полумиллиона в год. Это означает, что каждая сэкономленная секунда при поиске в магазине, складе, смене инструмента может дать значительную экономию и снизить себестоимость продукции.

Режущий и вспомогательный инструмент для станков ОЦ и ТОЦ в ГПС должен иметь строго обоснованную номенклатуру, необходимую для выполнения всех возможных переходов для полной обработки деталей на одном станке. Модульный принцип конструирования инструмента, введение стандартных удлинителей, нескольких длин и диаметров, редукторов, патронов для осевого инструмента, патронов для метчиков, расточных головок с микрорегулированием, ограниченного количества конусов базирования инструмента в шпинделе станка сокращают общую номенклатуру инструмента. Такой инструмент полностью соответствует концепции гибкого производства.

ОЦ были первыми станками с автоматическими магазинами для смены инструмента, и только в последние годы появились ТОЦ. И если магазины ОЦ получили значительное развитие и имеются многочисленные варианты их решения, то в создании ТОЦ сделаны по существу только первые шаги. Количество инструмента в магазине – главный параметр, определяющий гибкость ОЦ, поэтому прибегают к цепным магазинам или нескольким дисковым магазинам и возможности автоматически сменять магазины. На производительность ОЦ влияет выбор между двумя возможными основными вариантами:

1) магазин устанавливается на шпиндельной головке станка и перемещается при подаче вместе с головкой, в этом случае можно уменьшить время смены инструмента;

2) магазин фиксируется на неподвижной колонке станка, и тогда легче решать проблему автоматической смены магазинов, но при этом теряется время на возвращение шпиндельной головки в позицию для смены инструмента.

Как отмечалось, проявляется четкая тенденция создания единого магазина-склада для всех ОЦ в ГПС. Такой магазин-склад устанавливается автономно, и подача инструмента на станки осуществляется роботом. Количество инструмента в магазине может быть несколько сотен или тысяч, однако общее количество инструмента уменьшается.

Применение отдельно стоящего магазина с роботом имеет ряд дополнительных преимуществ:

- более простая конструкция магазина и улучшенный доступ к узлам станка во время его обслуживания и ремонта;

- возможность смены инструментов не только в расточном шпинделе, но и в резцедержателе, укрепленном на кулисе планшайбы или в угловой фрезерной головке;

- во время обработки робот может выполнять другие функции, например, загрузку деталей рядом стоящего ТОЦ, перегрузку инструмента, доставляемого из центрального склада в магазин, замену изношенных инструментов в магазине;

- централизованная автоматическая доставка инструмента расширяет возможности станочных модулей, так как они освобождаются от громоздких инструментальных магазинов, и появляется место на колонне станка для расположения других устройств, например, сменных многошпиндельных головок.

Автоматические инструментальные магазины с подачей инструмента роботами используются и для ТОЦ.

В такую систему входят: головка с пластиной, державка с замком, механизм смены инструмента на державке, инструментальный магазин, а также устройства: измерения вылета инструмента, автоматического слежения за износом инструмента, для измерения обрабатываемого размера. Как правило, одну и ту же головку с пластиной можно использовать для внутренней расточки и для внешней обточки, что является большим преимуществом (уменьшение числа наименований инструмента). Автоматический магазин может иметь от 24 до 120 инструментов, что более чем достаточно для одной рабочей смены.

Высокая гибкость и своевременность требуются от системы доставки инструмента к станочным модулям ГПС. Полностью автоматические системы доставки инструмента к станкам только начинают разрабатываться и внедряться. В настоящее время есть лишь несколько систем доставки инструмента к станкам, близких к завершенности с точки зрения автоматизации, однако и в них инструмент или головки перегружаются в ячейки магазина вручную. На токарных станках инструмент в большинстве случаев перегружается прямо в револьверные барабаны станка. На ТОД остается еще одна трудно решаемая проблема, связанная с зажимом заготовки, вернее, со сменой патронов или их кулачков. Сейчас эти операции требуют вмешательства рабочего (частично решает эту проблему применение быстросменных составных кулачков).

Главная черта гибкого производства – это свободный движущийся по случайному маршруту поток заготовок по всем станкам ГПС. Это требует полного контроля и управления подачей инструмента на станки с помощью ЭВМ. Следить за состоянием, местом нахождения и порядком подачи к станкам нескольких тысяч инструментов одновременно не под силу человеку. С этой задачей может справиться только ЭВМ, причем при полной интеграции всего инструментального хозяйства. Задача организации гибкого потока инструмента более сложная, чем организация гибкого потока деталей в ГПС, так как гибкий поток инструмента сам является случайным и при этом еще зависит от случайного, определяемого многими факторами маршрута деталей. Наиболее прогрессивной организацией автоматической доставки инструмента к станкам является наличие центрального инструментального склада, собственной транспортной системы доставки инструмента к станкам, свободного обезличенного использования инструмента на всех станках системы. Необходимо обеспечить такую организацию, чтобы ручная загрузка инструмента в ячейки центрального автоматического склада выполнялась только раз.