3.6. Гибкие агрегатные модули
Гибкие агрегатные модули (ГАМ) применяются в условиях массового и крупносерийного производства в тех случаях, когда требуется высокая производительность обработки изделий и в то же время - оперативная переналадка производства для изготовления различных изделий, аналогичных по конструкции и близких по основным параметрам.
В качестве примера можно привести изготовление блоков цилиндров двигателей автомобилей. Так, чаще всего на автомобильном заводе одновременно выпускается несколько моделей двигателей (например, от 2 до 1 О). Поэтому для осуществления возможности изготовления блоков цилиндров для различных моделей необходимо иметь высокопроизводительную гибкую производственную систему, которая имеет возможность быстро перенастраиваться на изготовление блоков цилиндров требуемых моделей. Причем, эта система позволяет осуществлять перенастройку на изготовление блоков цилиндров новых моделей двигателей, которые еще будут разработаны в будущем.
Конечно, такие гибкие производственные системы должны иметь высокую производительность, характерную для классических непереналаживаемых автоматических линий. Рассмотренные выше гибкие производственные модули имеют высокую гибкость, но не обеспечивают такой производительности. Поэтому были разработаны специализированные гибкие производственные модули, обладающие высокой производительностью. В основу создания этих производственных модулей был положен принцип агрегатирования. Поэтому они и стали называться гибкими агрегатными модулями. Гибкие производственные системы, созданные с использованием гибких агрегатных модулей, называются переналаживаемыми автоматически-ми линиями
(ПАЛ), которые позволяют совместить достоинства классических автоматических линий (высокую производительность) и гибких
производственных систем (возможность оперативной перенастройки на изготовление различных изделий в заданном диапазоне изменения их параметров ).
Гибкие агрегатные модули создаются с применением унифицированных элементов (узлов и деталей) и управляются системами числового программного управления.
Основные унифицированные элементы гибких агрегатных модулей: стойки со шпиндельными бабками с горизонтальным и вертикальным расположением оси шпинделя (рис. 3.32), столы прямолинейного перемещения (двухкоординатные крестовые, однокоординатные продольные и поперечные) (рис. 3.33), столы крестово-поворотные двухкоординатные (рис. 3.34), столы поворотные с горизонтальной и вертикальной осью вращения планшайбы (рис. 3.35), наклонно-поворотные (так называемые, "глобус-столы"), обеспечивающие возможность поворота обрабатываемого изделия в двух взаимноперепендикулярных плоскостях (рис. 3.36), шпиндельные коробки (рис. 3.37).
Рис. 3.32. Стойки со шпиндельными бабками: 1- основание; 2- шпиндельная бабка; 3- шпиндель
Рис. 3.33. Столы прямолинейного перемещения: 1- продольный стол; 2- поперечный стол
Рис. 3.34. Стол крестово-поворотный: 1- основание с кольцевыми направляющими; 2- поворотный стол; 3- поперечный стол
Рис. 3.35. Столы поворотные: 1 - основание; 2 - планшайба
Р
ис.
3.36. Стол наклонно – поворотный: 1 -
основание; 2 - качающийся стол с
горизонтальной осью вращения; 3 поворотный
стол с вертикальной осью вращения
Рис. 3.37. Шпиндельная коробка: 1 - входной вал; 2 - выходные валы
В настоящее время используются следующие основные компоновочные решения гибких агрегатных модулей:
- с установкой шпиндельных коробок на делительно-поворотном столе;
- с установкой шпиндельных коробок на поворотном кольцевом столе;
- с хранением комплектов шпиндельных коробок на складе.
При установке шпиндельных коробок на делительно-поворотном столе (рис. 3.38) вследствие большой массы их количество их чаще всего не превышает 4.
Рис. 3.38. Компоновка шпиндельных коробок на делительно – повортном столе ГАМ: l - делительно-поворотный стол; 2 - шпиндельные коробки; 3 - вращающиеся режущие инструменты в шпиндельной коробке; 4 - рабочий стол.
Установка сменных шпиндельных коробок на поворотном кольцевом столе (рис. 3.39) позволяет использовать в ГАМ до 12 коробок.
Рис. 3.39. Компоновка шпиндельных коробок на поворотном кольцевом столе ГАМ: 1- поворотный кольцевой стол; 2 - шпиндельная коробка; 3-силовая головка; 4 - рабочий стол
Для увеличения количества используемых шпиндельных коробок в ГАМ используется компоновка (рис. 3.40), при которой комплекты шпиндельных коробок хранятся на складе, представляющем систему конвейеров, перекладчиков, кантователей и других механизмов, обеспечивающих независимый выбор шпиндельных коробок и подбор комплектов коробок, осуществляемый автоматически по программе.
Рис. 3.40. Компоновка ГАМ с хранением шпиндельных коробок на автоматическом складе: 1- шпиндельная коробка; 2 - силовая головка; 3 - рабочий стол; 4 автоматический склад шпиндельных коробок.
3.6.1. Транспортно - накопительные системы ГПС
Транспортно - накопительные системы осуществляют получение, комплектацию, хранение и перемещение всех необходимых компонентов для выполнения в ГПС технологических процессов.
Автоматизация всех этих операций осуществляется взаимосвязанными системами манипулирования, транспортирования и накопления.
Объекты манипулирования, транспортирования накопления в ГПС:
- материалы;
- заготовки;
- полуфабрикаты;
- готовые изделия;
- комплектующие элементы;
- инструменты;
- станочная оснастка;
- отходы производства.
3.6.1.1. Манипуляционные системы ГПС
Манипуляционные системы тесно связаны с транспортными системами, поэтому их часто рассматривают совместно.
Рис. 3.41. Обслуживание ГМП одним роботом: 1 - станок; 2 - робот; 3 - накопительное устройство
Для повышения эффективности робот может обслуживать несколько ГПМ (рис. 3.42).
Рис. 3.42. Обслуживание нескольких ГМП одним роботом: 1 - станки; 2 - робот; 3 - накопительные устройства
Используются также компоновки, в которых несколько ГПМ имеют один накопитель (рис. 3.43):
Рис. 3.43. Обслуживание нескольких ГМП одним роботом с одним накопителем: 1 - станки; 2 - робот; 3 - накопительное устройство
При обработке на ГПС крупногабаритных деталей (чаще всего, корпусных) используются специальные столы (палеты), на которые перед началом обработки устанавливаются заготовки. В течение всего технологического процесса изготовления изделия эти палеты перемещаются от станка к станку. для их установки в позицию обработки на каждом станке используются специальные устройства, так называемые, агрегаты загрузки-разгрузки палет, схемы которых показаны на рис. 3.44, 3.45, 3.46.
Рис. 3.44. Схема агрегата загрузки - выгрузки палет с линейным перемещением паллет
Рис. 3.46. Схема агрегата загрузки - выгрузки палет с поворотным столом
3.6.1.2. Системы транспортирования ГПС
Перемещение изделий в ГПС осуществляется транспортными средствами, классификация которых приведена на рис. 3.47.
Рис. 3.47. Классификация транспортных систем
При транспортировании изделий с помощью конвейерных линий изделия закрепляются на палетах, которые опорными поверхностями устанавливаются на подвижных лентах конвейера (рис. 3.48.).
Рис. 3.48. Схема устройства транспортирования паллет на конвейере: 1- изделие; 2 - палета; 3 - бесконечные ленты конвейера; 4 - несущие профили с полостью возврата ленты; 5 - выдвижной упор для остановки спутника; 6 носитель кода.
Каждая палета идентифицируется с помощью носителя кода кодов (бесконтактного датчика), что позволяет контролировать текущее местоположение каждого изделия в ГПС и осуществлять управление всей транспортной системой.
Гибкая конвейерная система представляет из себя систему конвейеров, расположенных между гибкими производственными модулями ГПС так, что каждое изделие в ГПС может быть доставлено из любой ее точки к любому ГПМ. Такая система выполнена по модульному принципу и включает следующие основные модули:
- конвейерные ленты;
- модули подъема и поперечного сдвига.
В качестве примера на рис. 3.49. приведена схема компоновки гибкой конвейерной системы фирмы BOSH.
Рис. 3.49. Схема компоновки гибкой конвейерной линии: 1 - 6 - конвейерные модули; 7-14 - модули подъема и поперечного сдвига; 15-24 - гибкие производственные модули
Конвейерные ленты оснащены приводами, перемещающими их с постоянной скоростью в одном направлении. Модули подъема и поперечного сдвига имеют трехпозиционный пневматический привод подъема и короткий участок ленточного транспортера. В нижнем положении этого модуля палета свободно над ним проходит, а в верхнем положении палета останавливается и переноситься на участок соответствующего поперечного ленточного транспортера или на позицию загрузки соответствующего ГПМ.
В качестве средств транспортирования в ГПС наибольшее распространение получили самоходные транспортные тележки, которые часто называют транспортными роботами или роботрайлерами.
Транспортный робот – это программно – управляемая тележка со средствами загрузки транспортируемых изделий, автоматически перемещающаяся по программе управления в пределах участка, цеха, завода.
Простейшие транспортные роботы перемещаются по направляющим (рельсам), а подвод питания может осуществляться по гибким кабелям, от скользящих токопроводов, от автономных источников питания (аккумуляторов). Очевидно, что рельсовые тележки обладают недостаточной гибкостью перемещений по различным траекториям в пределах ГПС в связи со сложностью технических систем изменения направления перемещения.
Рис. 3.50. Схема транспортного робота: 1 - тележка (шасси); 2 - бампер системы торможения; 3 - 4 - грузовые платформы с приводом перегрузки изделий и направляющими; 5 - аккумулятор; 6 - бортовая ЭВМ.
С помощью бортовой ЭВМ осуществляется управление транспортным роботом. Команды по маршруту следования вводятся в память бортовой ЭВМ по каналу связи с управляющим вычислительным комплексом ГПС. Аккумуляторы необходимы для питания используемых приводов и электрических устройств.
Автоматическое управление перемещением транспортным роботом требует наведения его на требуемую траекторию перемещения. Используются четыре основных способа наведения безрельсовых транспортных роботов на траекторию:
- оптический;
- индукционный;
- радионаведения.
При оптическом способе наведения управление осуществляется по белой линии (полосе), нанесенной на полу цеха. Для этого на тележке имеется устройство, освещающее белую линию, а приемное устройство (фотоэлемент), установленное на тележке, осуществляет прием отраженного сигнала, по характеру которого осуществляется автоматическое управление перемещением тележки.
При индукционном способе наведения на тележке устанавливают индукционные датчики, которые воспринимают низкочастотное магнитное поле, возбуждаемое током, проходящим по кабелю, уложенному в полу цеха. Сигналы этих датчиков используются для управления.
При использовании способа радионаведения вдоль траектории перемещения тележки располагают передающую антенну, а приемная антенна располагается на тележке.
Как показал опыт использования транспортных роботов, наиболее эффективным является оптический способ наведения.
Одной из важнейших задач управления тележкой является позиционирование тележки в позициях перегрузки изделий. Для этого используются следующие способы управления электроприводами тележки:
- замкнутый по положению привод с контролем на всем пути перемещения;
- разомкнутый при вод со ступенчатым регулированием скорости;
- комбинированный привод: разомкнутый между заданными для остановки позициями и замкнутый по положению вблизи позиций остановки;
- использование разомкнутого привода с механизмом уточнения положения и фиксации.
Способ замкнутого по положению привода с контролем на всем пути перемещения универсален, так как можно осуществить точное позиционирование транспортного робота в любой точке. Однако такой привод сложен, требует высокой точности и жесткости направляющих элементов тележки и имеет высокую стоимость.
При использовании разомкнутого привода со ступенчатым регулированием скорости остановка транспортного робота осуществляется подачей последовательных команд на торможение. Этот способ не позволяет осуществить достаточно высокую точность позиционирования (менее 5мм).
Комбинированным является привод, разомкнутый между заданными для остановки позициями и замкнутый по положению вблизи позиций остановки. Этот привод сочетает достоинства первых двух рассмотренных способов. Датчики положения включаются только вблизи позиции остановки, что позволяет не предъявлять больших требований к точности и жесткости направляющих элементов тележки и в то же самое время обеспечивает высокую точность позиционирования.
При использовании разомкнутого привода с механизмом уточнения положения и фиксации применяются специальные устройства (ловители), которые обеспечивают высокую точность позиционирования платформы с изделиями (рис. 3.51).
Рис. 3.51. Транспортный робот с механизмом уточнения положения и фиксации: 1 - тележка; 2 - платформа; 3 - 4 - ловители; 5 - 6 - конические отверстия; ). Δ погрешность позиционирования
3.6.1.3. Накопительные системы ГПС
Для осуществления операций складирования, хранения и выдачи необходимых материалов и объектов производства в ГПС используются автоматические склады.
Автоматические склады выполнены в виде многоярусных стеллажей с ячейками для хранения объектов ГПС, которые обслуживаются автоматически управляемыми штабелерами. Причем объекты производства чаще всего находятся в специальных контейнерах.
Штабелеры выполняют следующие основные функции:
- перемещение изделий между транспортной системой ГПС и зоной хранения;
- загрузку и разгрузку ячеек стеллажей;
- комплектацию партий изделий из числа находящихся на складе;
- штабелеры могут выполнять функции транспортных роботов в тех случаях, когда технологическое оборудование ГПС может быть расположено вдоль автоматического склада ГПС.
По конструктивному использованию применяются два типа штабелеров: стеллажный и мостовой.
Стеллажный штабелер, компоновка которого показана на рис. 3.52, наиболее прост и имеет относительно небольшую стоимость.
Рабочий цикл работы штабелера состоит из следующих основных операций: - подвод захвата штабелера под изделие;
- подъем захвата на небольшую высоту, в результате чего изделие поднимается над полками ячейки и укладывается на захвате;
- складывание захвата;
- перемещение штабелера вдоль стеллажей с одновременным подъемом;
- остановка штабелера напротив заданной ячейки;
- ввод захватного устройства с изделием в ячейку;
- опускание захватного устройства ниже полок ячейки с укладкой изделия на полки ячейки;
- складывание захвата;
- перемещение штабелера в исходное положение.
Рис. 3.52. Схема автоматического склада со стелажным штабелерам: 1 - тележка; 2 - колонна с направляющими; 3 - подъемная платформа; 4 -выдвижное захватное устройство; 5 и 6 - нижний и верхний монорельсы; 7 - датчики положения
Работа штабелера осуществляется автоматически от системы ЧПУ автоматического склада по команде "ПЕРЕМЕСТИТЬ", содержащей адрес ячейки объекта перемещения и адрес ячейки, куда он должен быть перемещен.
При большой массе объектов (>0,5т.) и большой высоте подъема (когда штабелер может потерять устойчивость), применяются штабелеры подвесного типа или с опорой на стеллажи (рис. 3.53).
Рис. 3.53. Схема штабелера с опорой на стеллажи: 1 - штабелер; 2 - стеллажи
Основной недостаток стеллажного штабелера - малая маневренность, так как такой штабелер может обслуживать только один проход между стеллажами. Поэтому для увеличения площади склада, обслуживаемого штабелером используется способ передачи штабелера из одного прохода в другой с помощью трансбордерных устройств (рис. 3.54).
Рис. 3.54. Схема штабелера с трансбордерным устройством; 1 - трансбордерное устройство; 2 - штабелер; 3 - 4 - стеллажи
Трансбордерное устройство монтируется перед фронтом стеллажей.
В процессе работы тележка трансбордерного устройства останавливается против прохода, в котором находится штабелер, после чего штабелер переходит на нее, тележка перемещает его к заданному системой автоматического управления проходу и штабелер переходит на направляющие этого прохода. Это устройство удобно также использовать для замены вышедшего из строя штабелера.
Возможность обслуживания складов больших площадей может быть также осуществлена с помощью мостовых штабелеров (рис. 3.55).
Такие штабелеры имеют значительно большую массу по сравнению со штабелерами, использующими трансбордерные устройства, в результате чего при их перемещении возникают значительные инерционные нагрузки. Поэтому при использовании мостовых штабелеров уменьшаются скорости перемещения объектов.
Рис. 3.55. Схема мостового штабелера: 1 - штабелер; 2 - мост; 3 - 4 - стеллажи
Грузоподъемность штабелеров современных автомати-ческих складов от 50 до 10000кг, высота подъема от 3 до 15метров, скорость транспортирования по горизонтали от 20 до 60 м/мин, по вертикали - от б до 20 м/мин, погрешность позиционирования от 2 до 10мм.
Такие автоматические склады могут также эффективно использоваться автономно, то есть, не в составе ГПС, например, для организации инструментального хозяйства цеха или завода.
3.6.2. Системы инструментального обеспечения ГПС
Автоматизированная система инструментального обеспечения условиях гибкого производства обеспечивает подготовку, автоматическую установку и замену инструмента.
Перечень задач, решаемых при создании АСИО в ГПС механообработки, включает:
- разработку структуры материальных потоков режущих и вспомогательных инструментов;
- подготовку инструментов;
- разработку методов и средств хранения и транспортирования инструментов;
- разработку руководящих нормативно-технологических материалов,
- регламентирующих назначение инструмента и режимы их использования;
- разработку системы функционирования и взаимодействия различных служб, участвующих в инструментальном обеспечении ГПС;
- создание автоматизированной информационно-справочной поддержки инструментального обеспечения ГПС;
- разработку оптимальной структуры стандартных и специальных инструментов.
Основные функции АСИО в ГПС:
- приемка поступающего режущего, мерительного и вспомогательного инструмента;
- комплектация и размерная настройка инструмента;
- доставка наладок инструментов к станочным модулям ГПС;
- наблюдение за состоянием инструмента при обработке и своевременная его замена;
- систематизированное хранение и учет инструментов.
Структура АСИО ГПС показана на рис. 3.56.
Подготовка инструмента (комплектация и размерная настройка) для работы в ГПС осуществляется вручную на специальном участке, имеющем рабочие места, оснащенные приборами размерной настройки инструмента для станков с ЧПУ.
Доставка наладок инструментов к станочным модулям осуществляется напольным транспортом (при отсутствии системы автоматической смены инструментов на ГПМ) или с помощью средств автоматической доставки и смены инструментов в ГПС.
Рис. 3.56. Структура автоматизированной системы инструментального обеспечения ГПС
Большое количество инструментов, используемых в гпс, требует выбора рациональной методики их автоматической смены.
Используется четыре основных структурных варианта автоматической смены инструментов в ГПС (рис. 3.57).
Первый вариант (а) характеризуется полной автономностью, так как отсутствует центральный магазин инструментов. Этот вариант обеспечивает наибольшую надежность, однако его использование предполагает низкий коэффициент использования инструментов, так как отсутствует возможность обмена инструментами между станками. В результате потребуется большое количество инструментов.
а)
б)
г) в)
Рис. 3.57. Структурные схемы вариантов замены инструментов в ГПС: а) - с автономными магазинами инструментов (М) станков (С) без центрального инструментального магазина (ЦМ); б) - с несколькими центральными инструментальными магазинами; в) - с одним центральным инструментальным магазином и автономными магазинами станков; г) - с одним центральным магазином и без автономных магазинов станков
Последний, четвертый вариант (г) характеризуется наибольшим коэффициентом использования инструментов, однако обладает самой невысокой надежностью, так как выход из строя центрального магазина инструментов прекращает работу всей ГПС. Очевидно, что второй и третий варианты являются промежуточными. Применение того или иного варианта для конкретной ГПС определяется на основании технико-экономического расчета в рамках технологического этапа разработки ГПС.
Используются следующие основные способы замены инструментов гибких производственных модулей в ГПС:
- замена "через шпиндель";
- замена инструментальных магазинов.
- кассетная замена инструментов.
При замене "через шпиндель" (рис. 3.58) магазин инструментов перемещается от центрального инструментального склада к ГПМ и с помощью перегрузочного устройства передается на рабочий стол станка, после чего с помощью шпинделя инструмент захватывается из магазина, а инструментальный робот передает его в магазин ГПМ. Замена осуществляется по программе и процесс этот очень длительный. Поэтому в настоящее время этот способ практически не используется.
Рис. 3.58. Замена инструментов в ГПМ «через шпиндель»: 1 - ГПМ; 2 - шпиндельный узел; 3 - магазин инструментов, доставленный с центрального инструментального склада; 4 - транспортный робот; 5 - магазин инструментов ГПМ
Замена инструментальных магазинов (рис. 3.59) обеспечивает быструю замену инструментов (в течении 30 - 40 сек.). Однако этот способ обладает существенным недостатком, вызванным невозможностью обеспечить одинаковую загрузку инструментов в магазине. Поэтому при замене большое количество инструментов не вырабатывают свой ресурс.
Рис. 3.59. Замена инструментальных магазинов: 1 – ГПМ; 2 – устройство транспортирования магазинов инструментов; 3 - магазин инструментов ГПМ; 4 - новый магазин инструментов
С целью выравнивания загрузки инструментов они разбиваются на группы, в каждую из которых комплектуются инструменты, изнашивающиеся примерно одинаково. Каждая группа инструментов комплектуется в кассеты, которые заменяются с помощью специальных устройств (рис. 3.60).
3.6.3. Контрольно-измерительные системы ГПС
Основная задача контрольно-измерительных систем (КИС) ГПС обеспечение требуемого качества выпускаемых изделий, то есть контроль соответствия их заданным техническим характеристикам.
Структура КИС ГПС показана на рис. 3.60.
Рис. 3.60. Структура контрольно - измерительных систем ГПС
В ГПС применяются следующие виды контроля:
- прямой и косвенный;
- пассивный и активный.
Рис. 3.61. Схема прямого контроля диаметра вала
При осуществлении прямого контроля измеряется контролируемый параметр. В качестве примера на рис. 3.61. прямого контроля путем измерения диаметра вала измерительным устройством (ИУ).
При косвенном контроле контролируемый параметр определяется основании измерения другого параметра, связанного функциональной зависимостью.
Например, на рис. 3.62. приведена схема косвенного контроля диаметра вала. Ролик контактирует с валом и измерительное устройство (ИУ) определяет угол его поворота. Вычислительное устройство (ВУ) определяет диаметр вала на основании функциональной зависимости между числом оборотов вала, контролируемым датчиком оборотов (ДО), и соответствующим углом поворота ролика.
Рис. 3.62. Схема косвенного измерения диаметра вала
На основании пассивного контроля осуществляется проверка контролируемых параметров, в результате чего изделия подразделяются на 2 группы: годные и брак (исправимый и неисправимый). Причем иногда детали подразделяют на подгруппы, например, для селективной сборки.
На основании же результатов активного контроля осуществляется изменение параметров технологического процесса непосредственно в процессе изготовления изделия с целью повышения качества изготавливаемых изделий.
.
Классификация методов контроля в ГПС представлена на рис. 3.63.
Рис. 3.63. Классификация методов контроля в ГПС