2.6. Графы, используемые при расчете конструкций станков

Изучая этапы проектирования (см. главу 1), мы останавливались на особенностях видов проектирования, нами также исследована и систематизирована информация, методики и приемы, которые необходимо знать конструктору при проектировании изделия. Рассмотрим задачи конструкторского проектирования и примеры применения указанных методов моделирования в конкретных ситуациях.

Для формирования моделей как конструкторского, так и функционального проектирования широко используется теория графов. Граф задается множеством вершин Х = (х₁, х₂,…, х) и ребер А = (а₁, а₂, … а_n). Если ребра графа имеют направления (указывают стрелками), то ребра называют дугами, а граф называют ориентированным (орграф); в противном случае это неориентированный граф (неограф). Дугу, у которой начальная и конечная вершины совпадают, называют петлей. Вершину и ребро называют инцидентными, если ребро графа проходит через вершину.

Число ребер, инцидентных какой-либо вершине, называют степенью графа в этой вершине.

Ребра, имеющие общую концевую вершину, называют смежными. Две смежные вершины имеют хотя бы одно ребро, их соединяющее. Граф, у которого имеется хотя бы одна пара вершин, соединяемых более чем одним ребром, называют мультиграфом. Если дугам графа ставятся в соответствие некоторые числа, называемые весом, длиной или стоимостью дуги, то G называют графом с взвешенными ребрами. Взвешенный граф имеет веса у вершин и дуг. Граф называют полным, если для любой пары вершин имеется по крайней мере одно ребро. Подграф включает часть вершин и дуг исходного графа . Так, подграф , у которого число вершин совпадает с числом вершин графа , а множество дуг А₀ является подмножеством по отношению к А, называют остовным подграфом (суграфом графа G). Последовательность ребер, в которой любые два соседних ребра смежные, называют маршрутом графа.

Цепь — это маршрут, в котором нет повторяющихся ребер. Цикл — цепь, которая начинается и заканчивается в одной и той же вершине. В связном графе любые две вершины можно соединить цепью. Связный граф без циклов называют деревом.

Для задания графа используют матрицу смежности и матрицу инцидентности. В матрицу смежности входят элементы а_ij = 1, если в графе существует ребро (х_i, x_j), и а_ij = 0, если такого ребра нет. Для графа , который включает n вершин и m дуг, матрица инциденций B = [b_ij] является матрицей размерности n × m. Элементы матрицы b_ij = 1, если x_i является начальной вершиной дуги a_j; b_ij = -1, если x_i является конечной вершиной дуги a_j, и b_ij = -1, если x_i не инцидентна дуге a_j или если она является петлей. Для неориентированного графа все элементы матрицы инциденций равные -1 заменяются на +1.

Для описания взвешенного графа используется матрица весов или матрица расстояний D(G) = [d_ij]. Значения _dij, например для графа со взвешенными ребрами, определяются суммой весов ребер, входящих в маршрут от вершины x_i до вершины x_j(d_ii = 0)_.

2.7. Компоновочный синтез станочных узлов

при автоматизированном конструировании

Основным традиционным методом, которым пользуется конструктор в процессе получения технических решений, является метод проб и ошибок. Повышение эффективности поиска новых конструктивных решений методом проб и ошибок обеспечивается применением ряда эвристических приемов, сформулированных для изобретательской деятельности, таких, как, например, инверсия, аналогия, метод «мозгового штурма» и т. д. Очевидно, что прямая автоматизация с помощью ЭВМ метода проб и ошибок с набором эвристических приемов невозможна, так как эти процедуры трудно формализуемы. Эффективность использования метода проб и ошибок в основном определяется интуицией, а, в конечном счете — опытом конструктора.

Большинство задач компоновочного синтеза удается формализовать в виде задач дискретного математического программирования. Например, задача покрытия может быть сформулирована как задача минимизации числа стандартных или унифицированных модулей /8/ . Пусть x_j - число модулей i-го типа, тогда минимизируется целевая функция

при (52)

где _n - число типов модулей; m - число ограничений;

a_ij и b_j - постоянные коэффициенты.

Если минимизируется стоимость покрытия, тогда целевая функция

, (53)

где C_j - стоимость модуля j-го типа.

С учетом нескольких критериев качества можно построить аддитивную целевую функцию. Например, целевая функция, учитывающая число модулей и их стоимость, записывается так

_, (54)

где K₁ и K₂ - весовые коэффициенты.

Это задачи являются задачами линейного целочисленного программирования. Задача разбиения схемы из конструктивных элементов, в общем виде, формулируется как задача нелинейного целочисленного программирования. Исходная схема из конструктивных элементов заменяется взвешенным мультиграфом G = (Х, А), в котором элементы образуют множество вершин Х = (х₁, х₂ …, х_n), а межэлементные соединения являются ребрами (рис. 31). Графу G соответствует матрица смежности M = [a_ij]_n×m (n - число элементов в схеме).

Разбиение схемы сводится к разрезанию графа G на подграфы G_l = (X_l, A_l), где l = 1, 2, …, m (_m - число подграфов), при условии минимизации межузловых соединений. Введем матрицу переменных Y = [y_il]_n×m, в которой y_il = 1, если x_i входит в G_l, и y_il = 0 в противном случае. Так как элемент, изображаемый вершиной x_i, может входить только в один узел, то

, i = 1, 2, …, n,

Ограничение на вместимость узла, которому соответствует подграф G_l, примет вид

где p_i и k_l - параметры, определяющие, например, габаритные размеры i-го элемента и _l-го узла соответственно. Ограничение на число внешних соединений в узле G_l.

_,

где _υ — максимально допустимое число внешних соединений в одном узле.

Рис. 31. Графы исходной схемы конструктивных элементов (а) и схемы узлов после разбиения (б)

Рис. 32. Размещение модулей на монтажной плите

Число внешних соединений узла (целевая функция) может быть записано с помощью следующего выражения:

.

Для небольшой размерности эта задача нелинейного целочисленного программирования может быть решена с помощью метода ветвей и границ.

Для формализации решения задачи размещений модулей, например гидроаппаратуры на вертикальной плите насосной установки станка, построим взвешенный мильтиграф G = (X, А)_. Матрица смежности графа М = [a_ij], где _n - число модулей; a_ij - число соединений между модулями x_i и x_j (рис. 32). Вертикальной плите соответствует граф G_r = (P, u), множество вершин которого Р определяется позициями для размещения модулей, а множество ребер _u —координатной решеткой, связывающей вершины графа.

Можно составить матрицу расстояний D = [d_ij]_m×m, где d_ij - расстояние между позициями i и j; m - число позиций (m ≥ n). Результатом решения задачи размещения является матрица инциденций B = [b_ij]_n×m, где b_ij = 1, если элемент x_i находится в j-й позиции монтажной плиты, b_ij = 0 в противном случае.

Целевой функцией является суммарная взвешенная длина соединений

. ⁽⁵⁵⁾

Необходимо найти вариант размещения модулей, минимизирующий целевую функцию. Решение этой задачи может быть получено с помощью алгоритмов на основе метода ветвей и границ при n не более 15 ... 20.

Задача трассировки является обратной по отношению к задаче размещения, так как модули уже размещены и необходимо определить оптимальную прокладку соединений между модулями. Таким образом, исходной является матрица инциденций B = [b_ij]_n×m, а варьироваться будет матрица расстояний D = [d_ij]_m×m путем изменения трассы соединений (трубопроводов, электрических проводников, транспортных потоков, потоков обслуживания оборудования и т. п.). Целевая функция та же, что и в задаче размещения модулей.

Основными методами компоновочного синтеза являются методы, реализующие переборные алгоритмы. Эти алгоритмы реализуют такую последовательность процедур: генерирование очередного варианта — оценка качества варианта — принятие решения. Генерирование вариантов может быть организовано различными способами, например, с помощью метода морфологического анализа, предложенного Ф. Цвикки .

Рассмотрим алгоритм подбора сменных колес зубофрезерного станка с помощью последовательного перебора вариантов /8/. Задача заключается в определении числа зубьев сменных шестерен x₁, x₂, x₃, x₄, обеспечивающих заданное передаточное число _u0 с точностью ∆:

_{где .}

Алгоритм расчета числа зубьев сменных шестерен (рис. 33) включает блок задания исходных данных, где числа α₁, α₂, β₁, β₂ определяют ограничения суммы числа зубьев сменных колес γ₁ = х₁ + х₃ и γ₂ = х₂ + х₄, которые определяются, исходя из допустимых межосевых расстояний между валами сменных колес: β₁ = х₁ + х₃ и γ₂ = х₂ + х₄.

Далее в блоке 3 вычисляется х_min = min(x₃x₄). Организуется цикл (в блоке 4) по x₃ от максимального z_max до минимального z_min числа зубьев (например, z_min = 24, z_max = 100) с шагом 1. Такой же цикл организуется и по x₄ (в блоке 5). В блоке 6 определяются целые числа L и N, где L = x₃x₄ (u₀ + ∆), N = x₃x₄ (u₀ - ∆). Произведение этих чисел должно быть не меньше x_min (блок 7). Если разница между числами L и N ненулевая, значит, в допуске, который определяется величиной _∆, содержится целое число, которое можно разложить по x₁ и x₂.

Для полученных x₁ и x₂ в блоке 10 определяется точность настройки кинематической цепи. Если эта точность находится в заданном допуске и выдерживаются ограничения по числам зубьев γ₁ и γ₂ (блок 14), на печать выводятся полученные значения x₁, x₂, x₃, x₄, _∆ и передаточное число _u. Если ограничения погрешности передаточного отношения или суммы чисел зубьев не выполняются, наращивается значение x₁ (блок 9). Когда исчерпываются возможности варьирования x₁, изменяются величины x₄ x₃ или вдвое увеличивается допустимая погрешность _∆. Если решается задача компоновки коробки скоростей или коробки подач металлорежущего станка, в которой надо рассчитать число зубьев десяти и более шестерен, метод полного перебора не может быть использован из-за большого числа вариантов.

Рис. 33. Алгоритм расчета числа зубьев сменных шестерен

В данной задаче синтеза, которая формулируется как задача целочисленного математического программирования, перебор осуществляется на множестве малой мощности, что допускает даже полный перебор. Но большинство реальных задач компоновочного синтеза имеет гораздо большую размерность, поэтому при их решении допустим только частичный перебор.

Алгоритмы синтеза, при применении которых гарантируется получение оптимального решения комбинаторной задачи, как правило, оказываются применимы для задач сравнительно невысокой размерности, так как количество просматриваемых вариантов может оказаться экспоненциальной функцией размерности задачи. Поэтому для компоновочного синтеза в САПР применяют, главным образом, приближенные алгоритмы, основанные на последовательном наращивании синтезируемой структуры, итерационные алгоритмы, относящиеся к алгоритмам частичного перебора, и смешанные параллельно-последовательные алгоритмы.

Рассмотрим основные особенности этих приближенных алгоритмов при решении задачи разбиения схем. При использовании последовательных алгоритмов на каждом шаге в очередной узел добавляется один из элементов схемы. После образования первого узла алгоритм переходит к формированию второго узла и т. д. Главным достоинством последовательных алгоритмов является их малая трудоемкость и простота реализации. Кроме того, они позволяют легко учесть дополнительные ограничения. Основным недостатком последовательных алгоритмов является локальный пошаговый характер оптимизации, приводящий к достаточно эффективным решениям лишь для схем относительно невысокой сложности.

В параллельно-последовательных алгоритмах сначала выделяется начальное множество элементов, которые обладают существенными для данной задачи свойствами (число внешних соединений, функциональная завершенность). Далее эти элементы распределяют по узлам, что иногда позволяет получить более равномерные характеристики узлов. Данные алгоритмы являются более сложными, чем последовательные и итерационные, и поэтому применяются в задачах со специальными требованиями. Последовательные и параллельно-последовательные алгоритмы используют для формирования базового варианта разбиения. Если его качественные показатели не удовлетворяют поставленным требованиям, то базовый вариант улучшается с помощью итерационных алгоритмов.

Рассмотрим пример и постановку задачи компоновочного синтеза станочных систем с помощью итерационных алгоритмов /8/. Пусть необходимо разработать компоновку станочного комплекса для обработки корпусных деталей с заданной производительностью Q₀. Исходными данными для проектирования будут являться: объем обработки (каждого типа деталей), число деталей в партии, число запусков деталей, производительность обработки по каждой партии деталей и т. д. Компоновочные параметры: число позиций, тип оборудования (универсальные станки, агрегатные и многоцелевые станки и т. д.), тип транспортных устройств (транспортеры, рольганги, тележки и т. д.), тип устройств загрузки-выгрузки деталей (подъемники, загрузчики, промышленные роботы и т. д.), число обрабатывающих инструментов (одновременная обработка одним инструментом или несколькими инструментами), наличие накопителей и их тип и т. д.

В результате решения задачи компоновки станочной системы должна быть получена ее структура, тип оборудования и механизмов, автоматизирующих производственный процесс (поточная линия из универсальных станков, автоматическая линия из специальных или агрегатных станков, станочный комплекс из многоцелевых станков, гибкая производственная система и т. п.).

В качестве базового варианта может быть принята, например, поточная линия из универсальных станков. Задача сводится к определению степени автоматизации станочной системы. Если решать эту задачу простым перебором, то число вариантов составит несколько тысяч.

Алгоритм решения задачи может быть построен по итерационному алгоритму, который аналогичен алгоритму метода Гаусса — Зейделя. Если критерием оптимизации является рост производительности общественного труда _λ, то целевой функцией при выборе того или иного варианта автоматизации будет Ф = max ∆_λ, где ∆_λ - прирост производительности общественного труда.

Если за критерий оптимизации принять суммарные затраты Т за весь срок эксплуатации станочной системы, то на каждом шаге алгоритма для выбора направления автоматизации могут быть использованы целевые функции:

Ф₁ = max а ∆Q/∆T при ∆Q>0, ∆T>0;

Ф₂ = max ∆T /а ∆Q при ∆Q<0, ∆T<0,

где ∆Q - изменение производительности станочной системы; ∆T _- изменение суммарных затрат за весь срок эксплуатации станочной системы; а _- постоянный или переменный весовой коэффициент.

Весовой коэффициент а обеспечивает выбор направления изменения структуры станочной системы в зависимости от приоритета Q или Т. Например, а = T_i/Q_i, где Q_i и T_i - производительность и суммарные затраты предыдущего варианта станочной системы. Для случая оптимизации по критерию ∆_λ можно записать целевую функцию в виде:

_{Ф ≈ max (a} ∆Q - b ∆T_{), где a = 1/}Q₁; b = 1/ T₁

Производительность Q₁ на каждом шаге алгоритма в случае сложной станочной системы может быть подсчитана с помощью ее имитационного моделирования. Для определения параметров необходимо построить банк данных по стоимости оборудования и средств автоматизации. Практически нельзя создать такой банк данных по всем типам оборудования и различным устройствам, поэтому реально такая информация может быть представлена только по базовому варианту. Характеристики остальных вариантов будут определяться относительно базового.

Алгоритм компоновки станочной системы разбивается на два этапа. На первом этапе производится оптимизация с помощью метода Гаусса-Зайделя. В этом случае используется непрерывная параметрическая модель станочной системы по варьируемым параметрам Q, Т. С этой целью строится обобщенная структура станочной системы, в которую входят подсистемы, определенные ранее с помощью компоновочных параметров (оборудование, транспортная подсистема, подсистема загрузки-выгрузки деталей, подсистема обеспечения инструментом, измерительная подсистема, подсистема накопителей). Для каждой подсистемы необходимо построить регрессионные зависимости , где n - номер подсистемы; - изменение рабочего цикла при варьировании параметрами n-й подсистемы; i - номер составляющей рабочего цикла станочной системы; и - изменение суммарных затрат станочной системы; - составляющая исходных данных для проектирования станочной системы, которая обеспечивается n-й подсистемой; j - номер составляющей исходных данных. В результате первого этапа по методу Гаусса-Зайделя получаем вариант станочной системы, который определяется значениями параметров , . При этом фиксируются составляющие этих параметров, вкладываемые каждой подсистемой.

На втором этапе по полученным значениям параметров , выбирается тип системы, а по их составляющим - структура подсистем. Структуры станочных систем и подсистем выбираются с помощью поискового алгоритма по таблицам параметров систем и подсистем в банке данных. По данной методике можно получать оптимальные компоновочные варианты станков и их узлов.

К методам сокращенного перебора числа вариантов по сравнению с методом полного перебора относится динамическое программирование. Рассмотрим пример использования динамического программирования для решения задачи компоновки гидросистемы копировально-фрезерного станка. Гидросистема имеет насос Н, гидрораспределитель переключения З1 с копировального режима на ручной, гидрораспределитель ручного управления З2, копировальный золотник КЗ, силовые цилиндры для перемещения по координатам X и Y (СЦ1, СЦ2), рис. 34, /8/.

Поставим в соответствие каждому элементу гидроаппаратуры длину трубопроводов, которыми его присоединяют к гидросистеме. В зависимости от вариантов установки элементов будет меняться и длина трубопроводов. В соответствии со значениями длин трубопроводов можно построить сетевую модель, которая может быть решена с помощью метода динамического программирования. Дугами этой модели будут длины трубопроводов, соответствующие каждому элементу, а узлами суммарная длина трубопроводов при последовательном подключении элементов. Число узлов на каждом уровне сетевой модели соответствует числу вариантов установки элемента, который обозначен на этом уровне.

Согласно стратегии динамического программирования следует построить многошаговую процедуру минимизации длины трубопроводов. Шагом будет являться переход с одного уровня сетевой модели на другой. Начальный шаг делается от верхнего уровня. При этом получаем два варианта со значениями длины трубопроводов 10 и 12 единиц. На втором шаге в отличие от метода полного перебора из возможных вариантов соединений (золотник 32 имеет три варианта установки) дуга длиной в 18 единиц устраняется из дальнейшего рассмотрения, так как дуга длиной в 14 единиц обеспечивает более оптимальный путь от нулевого уровня по второй (26 единиц вместо 28).

Рис. 34. Минимизация длины трубопроводов гидросистемы станка методом динамического программирования

Минимальная длина дуги при переходе с одного уровня на другой не гарантирует достижения минимальной общей длины трубопроводов. Так, при переходе с третьего уровня (КЗ) на четвертый имеем варианты длин дуг в 7 и 6 единиц, и, хотя вторая дуга меньше по величине, оптимум обеспечивает первая дуга. В конце концов получаем оптимальный маршрут (показан жирными стрелками) 10-15-12-7-8-7, который обеспечивает оптимальную длину трубопроводов в 59 единиц. Методом динамического программирования можно найти и максимальную длину трубопроводов, используя на каждом шаге сочетания дуг, соответствующие максимальным суммарным длинам. Максимальная длина трубопроводов равняется 76 единицам (маршрут 10-18-13-17-11-7).

Оптимальное решение по отношению к худшему неоптимальному почти на 30 % эффективнее. Кроме того, в данной задаче примерно на 1/3 сокращается число просматриваемых вариантов по сравнению с методом полного перебора. Схема метода динамического программирования может быть использована в качестве основы при формировании эффективных алгоритмов компоновки станочных узлов.

В качестве примера указанного подхода рассмотрим задачу структурно-компоновочного синтеза приводов подач станков с ЧПУ. На рис. 35 составлены обобщенные схемы приводов подач, рекомендуемых к использованию в станках с ЧПУ. В них входят сравнивающее устройство, преобразующее устройство ПР, усилитель сигнала ошибки У, усилители мощности первого, второго и третьего каскада УM₁, УM₂, УM₃, исполнительный двигатель ИД, безлюфтовый редуктор БР, шариковая винтовая пара ШВП и датчик положения или перемещения стола Д; U - входной сигнал, у - перемещение стола. В качестве преобразующих устройств используются электромеханические преобразователи (ЭМП), шаговые двигатели ШД и электронные устройства ЭУ.

Все приводы рабочих органов РО станков и ро­ботов разделены на две группы: шаговые и следящие. В шаговых приводах в качестве устройства, преобразующего сигнал про­граммы в аналоговый сигнал, используются силовые СЩД и несиловые ЩД шаговые двигатели. Каждому импульсу программы соответствует определенное дискретное угловое перемещение ро­тора шагового двигателя. На основе шагового двигателя можно строить разомкнутые приводы перемещения рабочих ор­ганов станков и роботов. Следящие приводы обязательно имеют датчик обратной связи по положению или перемещению у рабочего органа станка или робота ДП. По типу исполнительного двигателя приводы разделяют на электрогидравлические (с гидродвигателем) и электрические (с си­ловым электродвигателем). Различают приводы роторные (исполнительный двигатель - гидромотор ГМ, силовой шаговый двигатель или двигатель постоянного тока ДПТ) и линейные с силовым цилиндром.

Рис. 35. Схемы приводов для ЧПУ

В качестве линейного шагового электрогидравлического при­вода (ЛШЭГП) представлен привод с шаговым задатчиком, включающим зубчатую передачу и втулку. Поворот втулки изменяет проходные сечения отверстий, через которые масло сливается в бак. Перепад давления, равный потерям дав­ления на сливных отверстиях втулки, вызывает перемещение зо­лотника гидрораспределителя и подачу масла в силовой цилиндр. За счет присоединения вин­та к рабочему органу станка привод имеет жесткую обратную связь.

Таким образом, вместе с рабочим органом будет перемещаться винт до тех пор, пока не установятся равные проходные отверстия втулки относительно кромок винта.

Линейные электрогидравлические следящие приводы (ЛЭГСП) имеют усилитель напряжения, электромеханический преобразо­ватель (ЭМП), гидроусилитель типа сопло-заслонка, силовой цилиндр и датчик перемещения рабочего органа. Сигнал управления приводом формируется в виде рассогласования между сигналом U программы и сигналом у фактического положения или перемещения рабочего органа.

Роторный шаговый электрогидравлический привод (РШЭГП) имеет поворотный золотник гидро­распределителя и втулку обратной связи, которая жестко соединена с валом аксиально-поршневого гидромотора. Угловое положение, задаваемое шаговым двигателем и жестко соединенным с ним поворотным золотником, отрабатывается за счет того, что вал гидромотора вращает втулку обратной связи до тех пор, пока не будут перекрыты кромки золотника.

В роторном электрогидравлическом следящем приводе (РЭГСП) исполнительным двигателем, как и в РШЭГП, обычно является аксиально-поршневой гидромотор. Гидравлический уси­литель мощности (ГУ) - двухкаскадный. В первом каскаде может быть использован гидроусилитель типа сопло-заслонка, второй каскад - следящий гидрораспределитель. Частота вращения по­нижается с помощью беззазорного редуктора (ВР). Угловое перемещение выходного вала редуктора преобразуется в поступа­тельные перемещения рабочего органа с помощью шариковой вин­товой пары (ШВП).

Силовой шаговый привод (СШН) является наиболее простым по структуре, так как в нем отсутствуют блики механического или гидравлического усиления мощности.

В системах используют усилители мощности второго каскада для электрогидравлических приводовозолотникового типа, для электрических приводов тиристорного типа (ТП); усилители мощности, построенные по системе генератор-двигатель, которые могут быть отнесены к усилителям мощности, включающим третий каскад усиления, насос Н в электрогидравлических приводах и электромашинный усилитель ЭМУ в электрических приводах.

Приводы различаются типом исполнительных двигателей: роликолопастные гидромоторы (РЛГ), гидромоторы типа МГ, силовые цилиндры (СЦ), высокомоментные двигатели постоянного тока типа ПБВ, двигатели с гладким якорем типа ПГТ, двигатели постоянного тока общепромышленной серии МИ и т. д.

Анализируя данные схем, можно сделать вывод о том, что каждый вариант привода может быть представлен комбинацией некоторых ключевых элементов: ДП, ШВП, БР, ИД (электрического типа), УМ₃ и УМ₁. Наличие или отсутствие каких-либо из перечисленных элементов позволяет однозначно определить структуру привода подач.

Примем условные обозначения наличия или отсутствия ключевых элементов привода, приравнивая соответствующие коэффициенты K_i единице (1) или нулю (0). При этом любому датчику перемещения соответствует коэффициент K₀, ШВП - K₁, БР - K₂, силовому электродвигателю - K₃, УM₃- K₄ и УM₁ - K₅.

Таким образом, структура привода будет записываться в виде числа из нулей и единиц: . Например, электрогидравлический роторный привод под номером 1 имеет описание структуры в виде (электрогидравлический линейный шаговый привод); привод 64: (электрический привод с электромагнитным усилителем мощности); привод 29: (электрический с силовым шаговым двигателем); привод 42 будет иметь структуру (электрогидравлический, роторный с электромагнитным преобразователем и реечной передачей) и т. д.

На рис. 36 показано множество структур приводов в виде дерева вариантов. Поскольку каждая ветвь имеет вес «0» или «1», то дерево является бинарным. Ветвление дерева идет по уровням ключевых элементов привода, начиная с корня А. Нулевой или единичный вес каждой ветви присваивается коэффициенту соответствующего уровня. Так, сначала (в корне дерева) имеется датчик перемещения стола (правая ветвь), следовательно, K₀ = 1; если мы идем по левой ветви (датчик отсутствует), то K₀ = 0. На последнем ветвлении получаем полные структурные варианты приводов подач.

Номера приводов (рис.36) проставлены с учетом соответствующих структурных вариантов приводов полученного дерева. Выбор оптимального варианта можно проводить простым перебором: сначала оценить структуру , далее , , ... . Однако в данном случае даже при наличии шести варьируемых коэффициентов (уровней) получаем 2⁶ = 64 варианта. Чтобы рассчитать все эти варианты и выбрать наилучший, необходимо затратить значительное машинное время, и, кроме того, этот перебор требует большой оперативной памяти и больших вычислительных ресурсов. Применим метод последовательного перебора неполных структур по уровням дерева с отсечением тех из них, которые не удовлетворяют ограничениям. В этом случае последовательность перебора структурных формул имеет вид (начало перебора с вершины дерева, т.е. K₀ , , , , , , , , и др.

Экономия машинного времени будет наибольшей по сравнению с другими вариантами отсечений, так как будут отсекаться в некоторых случаях целые группы приводов, не удовлетворяющих заданным ограничениям.

Если использовать в качестве ограничения допустимую погрешность δ, например при контурной обработке, то можно получить, последовательно наращивая структуру приводов, увеличение погрешности от каждого добавляемого элемента. Еще большее сокращение времени перебора вариантов можно достичь, используя данный метод при условии некоторого усложнения алгоритма, например, если полученные погрешности сравнивать не с заданной погрешностью δ, а с величиной δ _{- ∆}, где _∆ - прогнозируемое минимальное значение суммарной погрешности последующих уровней.

Рис. 36. Дерево вариантов приводов подач станков с ЧПУ

Схема алгоритма поиска рациональной схемы компоновки приводов подач рабочих органов станков с ЧПУ представлена на рис. 37. В неё входят следующие блоки. Это блок 4 - генератор структур-приводов.

Согласно конкретной структуре производится упрощенный расчет узлов, соответствующих полученной структурной формуле (блок 5). На блоке 9 определяется погрешность неполной компоновки привода и прогнозируется погрешность ∆_j компоновки с учетом элементов, находящихся на остальных уровнях дерева вариантов (блок 8). Если погрешность компоновки больше заданной с учетом прогнозируемого значения, то производится отсечение структур приводов в блоке 13. Как только будут исчерпаны все N вариантов приводов (с учетом отсечений), на печать выводятся полные структурные формулы приводов, рассчитанные конструктивные параметры их элементов и значения погрешностей.

Рис. 37. Алгоритм компоновки приводов подач рабочих

органов станков с ЧПУ

Наиболее полно можно автоматизировать процесс конструирования узлов из унифицированных элементов и деталей. В этом случае сведения по унифицированным деталям и сборочным единицам хранятся в банке данных. По требуемым характеристикам может выбирать детали и целые сборочные узлы. При этом значительно упрощается формирование массивов исходных данных и выполнение вспомогательных работ, связанных с подготовкой проектной документации.

Максимальный уровень унификации специальных механических узлов металлорежущих станков имеют многошпиндельные коробки и насадки агрегатных станков и автоматических линий. Многошпиндельные насадки устанавливают на пинольных силовых головках, их изготавливают в четырех исполнениях: малогабаритные, симметричные, средне- и крупногабаритные.

Тип насадки выбирается в зависимости от числа шпинделей, их расположения и расстояния между ними. Число шпинделей ограничивается размерами режущих инструментов, наибольшим крутящим моментом на шпинделе силовой головки и осевым усилием, развиваемым силовой головкой. Наименьшее расстояние между осями шпинделей определяется размерами подшипников. Если в опорах используют радиальные подшипники, то наименьшее расстояние между осями шпинделей составляет 28 мм. При необходимости в качестве опор шпинделей могут быть использованы игольчатые подшипники.

Державку 1 многошпиндельной насадки (рис.38) крепят к торцу корпуса силовой головки. Фланец 3 закрепляют на пиноли головки. Шпиндели 5 и промежуточные валики 6 насадки монтируют в расточках корпуса 4, закрытого крышкой 7. Две круглые скалки 9 служат дополнительными направляющими для насадки. Шпиндели насадок приводятся во вращение шпинделем 2 силовой головки через зубчатые колеса промежуточных валиков. Диаметр промежуточных валиков может быть 12, 15 и 20 мм в зависимости от передаваемой нагрузки. В некоторых случаях многошпиндельные насадки изготавливают без промежуточных валиков с непосредственной передачей крутящего момента от шпинделя силовой головки к шпинделям насадки. Шестерни на шпинделе и на промежуточных валиках можно устанавливать как консольно, так и между опорами. Для смазывания используют жидкие масла, которые при горизонтальном расположении насадок разбрызгиваются крыльчаткой 8, установленной на промежуточном валике. При вертикальном расположении насадок для подачи масла используют винтовые маслонасосы.

Многошпиндельные коробки 1 (рис.39), предназначенные для оснащения силовых столов при одновременной обработке большого числа отверстий, крепят к силовому столу 3 либо через установочную плиту 2, либо через упорный угольник 6. Электродвигатель 5 можно крепить через переходной фланец 4. В многошпиндельную коробку входят комплект корпусных деталей, комплекты шпинделей и промежуточных валов, комплект привода с электродвигателем, зубчатые колеса и система смазывания.

Рис. 38. Многошпиндельная насадка Рис. 39. Установка многошпиндельной

коробки на силовом

столе: а — через установочную плиту;

б — упорный угольник

Комплект корпусных деталей шпиндельной коробки (рис. 40) состоит из корпуса 5, к которому крепят винтами и фиксируют штифтами переднюю крышку 7 и заднюю плиту 4. В корпусе смонтированы шпиндельные узлы 6 и промежуточные валы 1, 2, 3, вал насоса и вал ручного проворота шпинделей. Крутящий момент от электродвигателя на шпиндели передается через зубчатые колеса, устанавливаемые в трех рядах (I, II, III) на шпинделях и в четырех рядах (0 ... III) на промежуточных валах (рис. 41). Смазочный материал в подшипники и зубчатые колеса подается насосом 2 через маслораспределитель 1, систему трубок и лоток. В коробках с вертикальным расположением шпинделей лоток не устанавливается. Масло заливают и сливают через угольник 3.

Шпиндельные узлы монтируют на шариковых радиальных и упорных подшипниках. При больших вылетах и диаметрах шпинделей их можно монтировать в гильзах. Промежуточные валы монтируют на шариковых радиальных подшипниках. Для поворота при смене инструмента один из промежуточных валиков удлинен, и его шестигранный конец выступает за пределы передней крышки. Пара зубчатых колес, расположенных под передней крышкой, может служить сменными колесами при необходимости изменения частоты вращения шпинделей.

Рис. 40. Развертка по валам многошпиндельной коробки

Рис. 41. Схема многошпиндельной коробки

Нагрузки на каждый шпиндель и суммарные рассчитывают с учетом их изменения во времени. При неавтоматизированном проектировании переменность нагрузок обычно не учитывают из-за большой трудоемкости расчетов, что приводит к завышению крутящего момента приводного электродвигателя и увеличению массы валов и шпинделей из-за больших коэффициентов запаса прочности валов и шпинделей. Проверка совместимости узлов и деталей включает проверку отсутствия касания валов, шпинделей и корпусных деталей зубчатыми колесами, а также выполнение ограничений на межцентровые расстояния промежуточных валов и шпинделей.

Силовой расчет деталей и узлов состоит из расчета частот вращения промежуточных валов; расчета и контроля отклонения частот вращения промежуточных валов; расчета и контроля отклонения частот вращения шпинделей, расчета мощности холостого и рабочего хода; расчета на прочность, жесткость и долговечность шпинделей, промежуточных валов, их опор и шпоночных соединений; расчета на изгиб и контактную прочность зубьев зубчатых колес.

Алгоритм конструирования многошпиндельных коробок на ЭВМ включает следующие этапы /8/.

1. Ввод исходных данных вращения, осевые силы, диаметры инструментальных оправок, цикл работы силового стола и вид исполнения шпиндельной коробки.

2. Определение габаритных размеров шпиндельной коробки по координатам центров шпинделей.

3. Подбор упорного угольника (согласно таблице применяемости шпиндельных коробок по габаритам упорных угольников).

4. Ориентировочное определение мощности приводного электродвигателя. В зависимости от числа шпинделей и предполагаемого числа промежуточных валов КПД шпиндельной коробки находится в диапазоне 0,9 ... 0,5. Например, для числа шпинделей до 15 значение КПД примерно равно 0,9.

5. Определение координат оси входного вала. Вертикальная ось входного вала располагается посередине шпиндельной коробки, но с учетом осевых сил, действующих на шпиндели; это необходимо для того, чтобы не происходило перекоса инструментов. Наименьшая высота расположения центра входного вала зависит от мощности электродвигателя и габаритных размеров упорного угольника.

6. Выбор комплектов шпинделей. Каждому внутреннему диаметру шпинделя под инструментальную оправку соответствует свой диаметр хвостовика. Как правило, радиальные подшипники не лимитируют выбор комплекта шпинделя, поэтому можно ограничиться проверкой упорного подшипника по осевой силе.

7. Построение вариантов раскатки.

8. Выбор оптимального варианта раскатки.

9. Уточнение и проверка конструктивных параметров выбранных вариантов, рассчитанных на этапах 2—6.

10. Вывод характеристик наилучших вариантов и выбор проектировщиком оптимального варианта.

11. Вывод рабочей документации оптимального варианта. Наиболее сложными и трудоемкими являются этапы 7 и 8 алгоритма.

Таким образом, задача компоновки станка является многокритериальной многопараметрической, имеющей конструктивные, технологические и экономические ограничения.

Процесс компоновки может быть полностью автоматизированным при использовании унифицированных станочных узлов. Из них компонуют станки различного технологического назначения, в том числе станки с ЧПУ.

На рис.42 показан алгоритм автоматизированной компоновки многооперационных станков. Исходные данные процесса компоновки (блок 2) формируются на основе требований технического задания.

Рис. 42. Алгоритм автоматизированной компоновки

многооперационных станков

Далее (блок 3) осуществляется процесс поиска готовых компоновок на основе банка данных компоновок (блок 7). Если имеется готовая компоновка и она соответствует условиям технического задания, то процесс поиска заканчивается и выводятся на печать характеристики найденной компоновки. Если все из имеющихся компоновок в банке данных не удовлетворяют техническому заданию, осуществляется синтез новых компоновок (блок 5). Компоновки формируются из унифицированных узлов, которые имеются в банке узлов (блок 10). Каждая из синтезированных компоновок также анализируется по условиям технического задания (блок 6).

При синтезе новых вариантов компоновок может быть использован алгоритм, который применялся для структурно-компоновочного синтеза следящих приводов подач станков с ЧПУ. В этом случае варианты компоновок станка необходимо представить в виде дерева вариантов, уровнями которого будут являться основные узлы и детали станка, а ветвями - варианты их исполнения и расположения в пространстве.

Наиболее широко принцип агрегатирования используется при компоновке агрегатных станков и автоматических линий. Основными унифицированными узлами агрегатного станка (рис. 43) являются: базовые детали (вертикальная станина 1, станина-подставка 2, боковые станины 3 и 5, средняя станина 4); силовые узлы (стол 6 силовой гидравлический и электромеханический 8); фрезерная бабка 7; многошпиндельная коробка 9, установленная на упорном угольнике.

Силовые головки (СГ) конструктивно объединяют механизмы подачи и главного движения, причем гидравлические несамодействующие головки имеют силовой цилиндр подачи, а насосная станция в компоновке силовой головки отсутствует. В единой гамме унифицированных узлов силовые головки выполняют только пинольного типа. Силовые головки предназначены для зенкерования, развертывания, растачивания и нарезания резьбы одним инструментом. Некоторые модели силовых головок могут быть оснащены многошпиндельными сверлильно-расточными насадками (ШН), а также одношпиндельными фрезерными насадками. Шпиндельные бабки (ШБ) устанавливают на силовые столы; они обеспечивают сверление, растачивание, подрезку торцов и фрезерование.

Рис. 43. Агрегатный станок из унифицированных узлов /4/

Силовые столы (СС) осуществляют движение подачи и имеют гидравлический или электромеханический привод. Кроме шпиндельных бабок на силовые столы могут быть установлены многошпиндельные коробки (МК) для одновременной обработки большого числа отверстий. С помощью многошпиндельных коробок можно выполнять сверление, зенкерование, развертывание, растачивание и нарезание резьбы. Подкатные столы (ПС), относящиеся к транспортным узлам агрегатных станков, предназначены для сообщения быстрых ходов силовым головкам, когда длина хода пиноли силовой головки оказывается недостаточной. Делительные столы осуществляют периодическое перемещение обрабатываемых деталей с одной рабочей позиции на другую с точной фиксацией на каждой позиции.

Средние станины используют для установки поворотных делительных столов и присоединения боковых станин и подставок. На боковых станинах устанавливают силовые или подкатные столы. Применяют также станины-подставки, на которых монтируют стойки. На круглых и полукруглых станинах монтируют силовые головки, стойки с закрепленными на них силовыми головками, поворотный делительный стол или стационарное приспособление и другие механизмы станка. Односторонние станины предназначены для компоновки односторонних многопозиционных агрегатных станков. Для двусторонних агрегатных станков используют двусторонние станины. Стойки используют для установки в вертикальном положении силовых головок с выдвижной пинолью. Если на позиции станка имеются горизонтальные головки, то применяют арочные стойки. Стойки с грузовым противовесом предназначены для установки силовых столов в вертикальном положении.

На упорных угольниках крепят шпиндельные коробки, а сами угольники устанавливают на силовые столы соответствующего или большего размера. В угольниках предусмотрена выемка для размещения привода с электродвигателем.

При разработке классификатора унифицированных узлов единой гаммы была учтена возможность использования вычислительной техники для выбора и оформления заказов на соответствующие сборочные единицы. Каждая единица имеет шифр, состоящий из шести разрядов.

Исходя из технологических признаков обрабатываемой детали, можно построить для большинства их сочетаний набор типовых компоновок агрегатных станков. В качестве примера на рис. 44 приведены варианты компоновок однопозиционного одностороннего агрегатного станка. Процесс компоновки агрегатного станка при наличии типовых решений состоит из двух этапов и не включает процедуру синтеза новых вариантов. На первом этапе по исходным технологическим признакам выбирается конкретная компоновочная схема. Для пояснения алгоритма выбора компоновки ограничимся банком компоновок, который включает семь вариантов (рис. 44)

Рис. 44. Варианты (1—7) компоновок однопозиционного

одностороннего агрегатного станка: БД - базовая деталь;

ПС - подкатной стол; СС - силовой стол; СГ - силовая головка; ШБ - шпиндельная бабка; ШН - шпиндельная наездка;

МК - многошпиндельная коробка; ОД - обрабатываемая деталь

Направление перебора вариантов можно задать с помощью дерева вариантов. Для этого введем уровни разбиения агрегатных станков на унифицированные узлы: силовые головки, шпиндельные бабки, узлы подачи (подкатные и силовые столы), многошпиндельные узлы (насадки и коробки).

Таким же образом можно представить дерево вариантов и для корпусных деталей станка. Последовательно сравнивая исходные технологические данные с технологическими возможностями каждого варианта, получаем требуемое исполнение агрегатного станка. В исходных данных программы, реализующей данный алгоритм, указывают общие характеристики агрегатного станка и обрабатываемой заготовки, вводится класс точности станка, число K шпинделей, угол наклона оси шпинделей α, общий ход рабочих органов l, величина перемещения на скорости быстрого подвода, вариант K_ц и характеристики рабочего цикла (S — рабочая подача исполнительного органа). Указывается материал заготовки, его характеристики, вид и время обработки. В программу вводятся частоты вращения n_ш, крутящие моменты М_кр на шпинделях и суммарные осевые силы Р₀. Если необходимо нарезать резьбу, указывается диаметр отверстия d₀, шаг нарезаемой резьбы Р и т. д. Некоторые параметры, например крутящий момент на шпинделе, могут быть рассчитаны в программе при наличии соответствующих исходных данных. Коэффициент вариантности компоновок K_в меняется от 1 до 7. Коэффициент K₀ (K₀= 1 ... 8) определяет вид обработки. Уровни дерева включают в данном случае основные технологические, конструктивные и параметрические исходные требования, позволяющие при переходе от высшего уровня к низшему отсекать неподходящие варианты.

Покажем последовательность выбора компоновочных решений. Сначала анализируется число шпинделей (рис. 45): если К = 1, то получаем группу вариантов K_в = 1, 3, 5, 6; при К > 1 K_в = 1, 2, 4, ..., 7. Пусть К = 1, тогда на следующем уровне анализируется вид обработки (K₀ = 1 ... 8) и вариант цикла (K_ц = 1 ... 7). При K₀ = 1 (одношпиндельное сверление) на третьем уровне проверяется соответствие диаметра d₀ максимальному диаметру сверления d_max, который обеспечивается силовой головкой. При d₀ > d_max выбирается пятый или шестой вариант компоновки, т. е. сверлильная бабка и силовой стол.

Если d₀ ≤ d_max, то проверяется (на пятом уровне), что l > l_max (l_max - максимальная длина хода пинольных головок). Если это условие выполняется, получаем вариант 3 (силовая головка устанавливается на подкатной стол); в противном случае получаем первый вариант. При K₀ = 6 (нарезание резьбы) проверяется максимальный диаметр нарезаемой резьбы и ее шаг. При K₀ = 8 (фрезерование) ЭВМ рассчитывает параметры четвертого уровня n_ш, М_кр и Р₀; если их величины больше соответствующих предельных значений для силовых головок, то выбирается вариант 5 или 6.

Рис. 45. Дерево вариантов компоновки агрегатного станка

При многошпиндельной обработке (К > 1) при K₀ = 4; 7 или 8 получаем вариант 5 или 6. Для K₀ = 1…6 с учетом предельных значений n_ш, М_кр, Р₀ и l получаем варианты 2, 4 или 7. Когда варианты компоновки не удовлетворяют исходным данным, это значит, что в области унифицированных узлов нет решения (вариант «0» на рис. 45) и необходимы специальные узлы. Если по предельным параметрам выбирается несколько вариантов, удовлетворяющих исходным данным, в том числе и заданным величинам Т, S (где Т — время цикла), то окончательное решение по выбору компоновочного варианта агрегатного станка будет осуществляться после второго этапа (выбор типоразмеров унифицированных узлов).

На втором этапе в алгоритме выбора типоразмеров унифицированных узлов последовательность перебора задается таким же деревом решений, но будут отсутствовать лишь технологические параметры K и K₀. По каждому параметру будет получен соответствующий типоразмер, а затем из них выбирается тот, который обеспечивает выполнение требований согласно исходным данным по всем параметрам одновременно. Если число типоразмеров невелико, их выбор может осуществляться по каждому параметру простым перебором.

При большом числе типоразмеров для экономии машинного времени перебор можно проводить методом половинного деления. В этом случае организация перебора производится по упорядоченным значениям параметров. Программа начинает выборку значений параметра с N₁ = N₀/2, где N₀ - число значений параметра. Число N₁ округляется до ближайшего большого целого, если N₀ нечетно и выбирается значение параметра, соответствующее числу N₁. В том случае, когда это значение больше заданного значения параметра, в качестве N₀ принимается исходное значение N₁, и процесс повторяется (N₂ = N₁/2). Если же значение параметра получилось меньше заданного, то в качестве следующего числа берется значение N₂ = (N₁+N₂)/2. Процесс перебора повторяется до тех пор, пока N₁ не станет отличаться от N_i-1 на 1/2, тогда типоразмер выбирается по двум оставшимся числам.

Необходимо отметить, что при выборе унифицированных узлов для вариантов 4 и 7 сначала проектируются многошпиндельные узлы (насадка или коробка), а затем с учетом конструкции этих узлов определяются параметры на валу приводных устройств (n_ш, Р₀, М_кр). Аналогично производится выбор корпусных базовых деталей по габаритным и присоединительным размерам унифицированных узлов. Далее производится окончательный выбор тех компоновочных решений, которые не могут быть определены без указания конкретных типоразмеров, например, вариант с несколькими подрезно-расточными бабками (возможно ли их размещение на силовом столе в заданном количестве). В некоторых случаях может получиться, что среди унифицированных узлов нет соответствующих типоразмеров, т. е. требуется проектирование специальных узлов.

Когда преимущества одного из конкурирующих вариантов неочевидны, окончательный выбор варианта компоновки агрегатного станка может производить проектировщик. Для этого все характеристики конкурирующих вариантов, включая и те, которые не использовались при переборе вариантов и типоразмеров узлов (масса, габаритные размеры, суммарная мощность приводных электродвигателей, точностные показатели и т. д.), выводятся на печать, и проектировщик выбирает наилучший с его точки зрения вариант агрегатного станка.

Примеры компоновок агрегатных систем. Рассмотренный комплекс алгоритмов позволяет получить компоновочные решения, близкие к оптимальным. Если необходимо произвести компоновку многостороннего агрегатного станка, программа применяется последовательно для каждой обрабатываемой стороны.

При дальнейшим развитии идеи проектирования станочных комплексов, автоматических участков и линий следует применять многоцелевые станки (МЦС). При этом широко применяют агрегатно-модульный принцип построения станочных систем. Рассмотрим особенности принципов агрегатирования.

Агрегатирование - метод компоновки оборудования, станков и автоматических линий из ряда унифицированных и нормализованных деталей и узлов, имеющих определенное назначение и обладающих геометрической и функциональной взаимозаменяемостью и возможностью работы от автономных приводов.

Различают следующие виды агрегатирования.

Компоновочное агрегатирование создание раз­личных компоновок станков из унифицированных агрегатных уз­лов.

Размерное и параметрическое агрегатирование создание станков с измененными размерами или другими параметрами при использовании агрегатных узлов.

Модификационное агрегатирова­ние - создание различных модификаций в пределах одного разме­ра станка.

На рис.46 представлены основные узлы. Подобные станки имеют ряд существенных преимуществ по сравнению со специальными станками неагрегатного типа, их использование дает значительный экономический эффект.

Основные узлы, из которых компонуют агрегатные станки, следующие (рис. 46): станина - основная несущая часть станка; поворотный делительный стол 2, на котором устанавливают приспособления и обрабатываемые заготовки; силовые головки 3. Для установки на станке силовых головок служат стойки и проставочные плиты 5, выполненные в виде коробчатой формы. В неподвижном варианте они жестко крепятся на станке, в подвижном перемещаются по направляющим. При многошпиндельной обработке отверстий или при фрезеровании плоскостей к силовым головкам крепятся сверлильные или фрезерные насадки (рис. 46, б). Управление станком осуществляется от пульта 7. Важный унифицированный узел - силовая головка, которая предназначена для сообщения инструменту главного движения и движения подачи. Существуют следующие варианты силовых головок: с выдвиж­ной пинолью (рис.46,а), с перемещаемым корпусом (рис.46,6), с выдвижной пинолью и перемещаемым корпусом (рис.46,в).

Поворотный делительный стол и поворотные барабаны служат для обработки деталей в разных плоскостях и имеют соответственно вертикальную или горизонтальную ось поворота.

Из перечисленных узлов агрегатных станков нормализованны­ми являются силовые головки, поворотные делительные столы и барабаны, станины, стойки.

Рис. 46. Варианты компоновок агрегатных станков

Автоматизация функций управления и СЧПУ позволяют проводить высококачественную и сложную контурную обработку всевозможных заготовок. Во многом этому способствуют автоматическая смена инструмента и совмещение схем движения инструментов при постоянном закреплении заготовки. МЦС имеют разнообразные компоновки: горизонтальное и вертикальное расположение шпинделя.

Классификация агрегатных станков по конструктивным и тех­нологическим признакам приведена на рис. 47.

Распределение движений между инструментом и заготовкой имеет несколько вариантов, например, все движения совершает инструмент, или движения (кроме вращения шпинделя) совершает стол с заготовкой, или движения распределены в определенном сочетании между инструментом и заготовкой. На рис. 48 приведена совмещенная схема движения узлов МЦС с горизонтальным 3 и вертикальным 4 расположением шпинделя. На столе 2 станка находится обрабатываемая заготовка 1 длиной L, шириной В и высотой Н. Главной координатой, постоянно связанной с основным параметром МЦС, шириной рабочей поверх­ности стола, является ось X, которая не изменяет своего положения в зависимости от исполнения станка (вертикального, го­ризонтального).

Несмотря на большое разнообразие компоновочных схем МЦС, есть общие принципы их конструктивных решений. Так, центральное расположение шпиндельной бабки относительно стойки преобладает в большинстве отечественных моделей МЦС. Это способствует равномерному распределению силовых и тепловых деформаций.

Рис. 47. Классификация агрегатных станков /15/

Основная тенденция совре­менного мирового производства МЦС - использование при их создании модульного принципа. Модуль - это узел, который ав­тономен конструктивно и функ­ционально и может быть использован в устройствах различного назначения. Модульный принцип предусматривает применение в одной и той же системе нескольких повторяющихся узловых модулей или их частей, выполняющих самостоятельную функцию, например инструментальных модулей, модулей перемещения заготовок и др.

Другое важное преимущество станочного модуля — использова­ние унифицированных и взаимозаменяемых столов-спутников в сочетании с универсально-сборочной оснасткой, позволяет об­рабатывать заготовки, отличающиеся по форме и по раз­мерам, а также производить их установку и закрепление вне рабочей зоны станка и в процессе обработки. При этом отпадает необхо­димость в создании специальных зажимных приспособлений.

В настоящее время в МЦС применяют как ста­ночные, так и узловые модули. Основные преимущества агрегатно-модульного принципа построения МЦС заключаются в следую­щем /15/.

1. Агрегатно-модульный принцип повышает технологическую гибкость станка, что дает возможность соз­дать оборудование с необходимыми функциями из ограниченного комплекта унифицирован­ных узлов, причем в короткие сроки.

2. Повышается гибкость системы проектирования оборудова­ния, так как для создания различных компоновок многократно ис­пользуется различное сочетание одних и тех же узлов.

3. Облегчается централизованное изготовление узлов, комплек­тующих механизмов и деталей, что позволяет значительно увели­чить количество выпускаемого оборудования.

4. Повышается надежность работы оборудования, так как оно создается из проверенных ранее в работе нормализованных узлов.

5. Улучшаются условия эксплуатации оборудования, его диаг­ностики и ремонта.

Рис.48. Схема совмещенного движения узлов МЦС

Для обеспечения экономической эффективности эксплуатации МЦС необходимо повысить их производительность. Сокращение вспомогательного времени у МЦС достигает­ся повышением скоростей позиционирования рабочих органов, сме­ны инструмента, заготовок и других вспомогательных движений. Однако при этим возрастают динамические нагрузки системы по срав­нению со станками традиционного исполнения. Станок, являющий­ся базой модуля, отличается высокой статической и динамической жесткостью, быстродействием исполнительных механизмов и уст­ройств.

Специфические требования, предъявляемые к модулю, опреде­ляются и тем, что он в течение нескольких часов должен работать в автоматическом цикле.

Агрегатно-модульная станочная система может быть представлена набором агрегатных узлов (силовых агрегатов, инструментальных модулей, модулей носителей заготовок и др.), а как номенклатура станков - модификаций, которая может быть скомпонована из этих же узлов. Благодаря этому достигается оптимальное построение агрегатно-модульной системы, которое заключается в максимальном сокращении разнообразия узлов при одновременном увеличении модификации станков. Выбор модификаций производится на основе анализа параметров обрабатываемой заготовки, ее конструктивных и технологических особенностей, а также требований по качеству обработки. На рис. 49 показан пример построения на единой базе (станине 10 и колонне 8) МЦС с горизонтальным и вертикальным расположением шпинделя. Шпиндельная бабка 7 с горизонтальным (либо вертикальным 6) расположением шпинделя устанавливается на направляющих колонны 8, которая, в свою очередь, может перемещаться в попе­речном направлении станины станка 10.

В зависимости от размеров обрабаты­ваемых деталей и их массы вертикальные и горизон­тальные компоновки таких станков снабжены одним- или двухкоординатными столами (позиции 2 и 3). Для горизонтального исполнения может быть применен поворотно-передвижной стол 1. Подобная система предус­матривает модуль автоматической смены инструмента 9 ( для горизонтального станка) и 11 - для вертикального; модуль автомати­ческой смены палет 13, механизм уборки стружки 4, устройство ЧПУ 12 и электрошкаф 5. Такая система позволяет иметь три модификации горизонтального станка и две модификации вертикального станка.

Рис.49. Пример построения МЦС на единой базе

Построение агрегатно-модульных систем может производиться на основе анализа технологических возможностей систем агрега­тирования и их конструктивных признаков, сведенных в опреде­ленную классификацию. Требования производства привели к необходимости создания комплексов.

Комплекс - автономно действующая совокупность технологи­ческих средств производства, состоящая из нескольких модулей, обеспечивающая выполнение технологического процесса с мини­мальным участием человека и связь с входными и выходными по­токами остального производства. В отечественном станкостроении агрегатно-модульный принцип нашел свое воплощение при разработке комплексов многоцелевых сверлильно-фрезерно-расточных станков модели АКМ26. Обозначение: АКМ - агрегатированный комплекс многоцелевых станков; цифры обозначают 2-сверлильно-расточные, 6 -фрезерные операции.

Для двух базовых групп станков АКМ26 была принята компоновка с неподвижной стойкой и крестовым столом, которая может быть трансформирована в ряд других компоновок, например в компоновку с крестово-подвижной стой­кой. В АКМ26 предусматривают три основных исполнения группы узлов, объединенных названием «шпиндельная бабка», которые обеспечивают наибольший диаметр сверления (16/20; 25/32; 40/50 мм) в стали и чугуне и объем снимаемой стружки (80/150; 160/300; 200/500 см³/мин) при фрезеро­вании деталей из стали и чугуна. При этом крестовые столы, так же как колонны и шпиндельные бабки, представляют собой самостоятельные агрегатные узлы и могут применяться в любом сочетании.

Существует двенадцать модифи­каций МЦС, обеспечиваются сочетанием комбинаций трех вариантов шпиндельных бабок и стоек с четырьмя варианта­ми крестово-подвижных столов (рис. 50). Компоновка МЦС с системой ЧПУ обладает широкими технологическими возможностями за счет использования боковой привалочной поверхности крестового стола и привалочных поверхностей шпиндельной бабки.

Рис.50. Возможные варианты модификаций для МЦС

На рис. 51 показана подобная система, которая состоит из следующих агрегат­ных узлов: устройство автоматической смены инструмента 1, шпиндельная бабка 2, колонна 3, двухповоротный стол 4, кресто­вый стол 5, устройств смены заготовки 6, 7. С учетом принципов модульности скомпо­нованы вертикальный станок с ЧПУ модели 2П04Н7Ф4, горизон­тальный станок модели 21004П7Ф4 (для пятисторонней обработки заготовок) и многие другие.

Рис.51. Вариант компоновки МЦС с широкими

технологическими возможностями