Принципы построения гибкой системы обработки корпусов

Введение

Основной задачей современного машиностроения является создание высокопроизводительных и экономически выгодных технологий изготовления деталей. Для этого применяют типовые и групповые методы обработки деталей, новое оборудования, что способствует снижению их материале- и энергоемкости, внедрению малоотходных и безотходных технологических процессов, уменьшению трудоемкости изготовления продукции за счет широкого внедрения различных средств автоматизации и механизации, в том числе робототехники.

Технологический процесс в машиностроении характеризуется не только улучшением конструкции изделия, но и непрерывным совершенствованием технологии производства. В настоящее время важно, при минимальных затратах и в заданные сроки, изготовить изделие, применив современное высокопроизводительной оборудование, технологическую оснастку, средства механизации и автоматизации производственных процессов. От принятой технологии производства во многом зависит долговечность и надежность выпускаемых изделий, а также затраты при их эксплуатации.

Одним из основных направлений повышения эффективности производства является его автоматизация. Основной путь автоматизации механической обработки в серийном производстве – применение станков с числовым программным управлением. Известно, что такая автоматизация в значительной степени сокращает штучное время, улучшает условия труда, способствует использованию многостаночного обслуживания. Развитие новых процессов на базе использования станков с ЧПУ, роботов, гибких производственных систем и вычислительной техники способствует созданию более совершенных машин, снижению их себестоимости и уменьшению затрат на изготовление. Кроме того, применение автоматизированных транспортно-складских систем (АТСС), автоматизированных систем инструментального обеспечения (АСИО) и систем удаления отходов позволяет повысить эффективность и производительность производственного процесса и одновременно свести к минимуму долю низко квалифицированного ручного труда. Целью данной контрольной работы является проектирование ГАЛ обработки корпуса. В результате решаются задачи по выбору и определению состава основного технологического оборудования, выбору системы и расчету характеристик АТСС и АСИО, планировка схемы ГАЛ.

Задание

1. Годовой объем выпуска деталей в ГПС NS=21400 шт.

2. Сведения о детали-представителе:

• Годовой объем выпуска N=800 шт.

• Габаритные размеры детали: 100´100×150 мм

• Масса детали m=3,7 кг

• Масса заготовки m_з=6 кг

• Деталь изготавливается в условиях среднесерийного производства

• Маршрут обработки:

1. Сущность и структура гибкого автоматизированного механизма

Гибкая автоматизированная линия (ГАЛ) – это гибкая производственная система, состоящая из нескольких единиц технологического оборудования, объединенных автоматизированной системой управления, оснащенных единым устройством загрузки и транспортирования заготовок, в которой технологическое оборудование расположено в принятой последовательности технологических операций. Поскольку технологическое оборудование ГАЛ расположено в строгой очередности, определяемой маршрутом обработки, то ГАЛ отличаются невысокой гибкостью и переналаживаемостью, что обуславливает ограничение номенклатуры изделий, изготавливаемых на линии. Ввиду этого ГАЛ ориентированы в основном на групповую обработку. Гибкость ГАЛ определяется типом используемого оборудования.

Оборудование ГАЛ может располагаться как в последовательном порядке (в одну линию), так и параллельном (в несколько рядов) и в параллельно-последовательном. В нашем случае использовано последовательное (линейное) расположение станков. Станки обращены лицевой стороной к складу. Возле каждого станка располагается накопительная станция, на которой устанавливается тара с заготовками или готовыми изделиями. На фрезерной (005) и совмещенной комбинированной (010,015) операций для автоматизированной загрузки-разгрузки станков применяются приспособления – спутники, что целесообразно при обработке корпусных деталей. Особенностью ГАЛ является последовательное перемещение заготовок от одной единицы технологического оборудования к другой в соответствии с маршрутной технологией. Поэтому детали перемещаются транспортными устройствами от станка к станку по мере изготовления партии деталей.

Для транспортирования применяют краны-штабелеры, либо другие транспортные устройства.

2. Структура основного технологического оборудования

Основное технологическое оборудование в ГАП должно удовлетворять ряду требований:

• Высокий уровень автоматизации основных и вспомогательных операций

• Возможность быстрой автоматизированной переналадки при смене объектов производства

• Широкие технологические возможности, способствующие реализации принципов концентрации и комплексности производственного цикла.

• Обеспечение необходимой производительности и качества изготовления изделий.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет оборудование с ЧПУ, на основе которого и построена проектируемая ГАЛ.

В соответствие с вышеизложенными положениями принимаем следующие модели технологического оборудования:

– Для фрезерной операции (005) применяем сверлильно-фрезерно-расточный станок 400Vс прямоугольным столом и вертикальным шпинделем, размер рабочей поверхности 400*900 мм, габаритные размеры 2400*2200*2640, масса 4700 кг, емкость инструментального магазина – 20 позиций;

– Для комбинированной операции (010. 015) применяем станок с расширенными технологическими возможностями – сверлильно-фрезерно-расточный 500HS с поворотным столом и горизонтальным шпинделем, размер рабочей поверхности – 630*630 мм либо Ф500 мм, габаритные размеры 4300*2850*3200, масса 8000 кг, емкость инструментального магазина – 20 или 40 позиций.

Расчет количества станков

Количество станков-дублеров на операции определяют по зависимости:

где – средний такт выпуска деталей;

Т_ШТ-Ki – станкоемкость обработки детали на I-й операции.

где F – эффективный годовой фонд работы оборудования (для трехсменной работы на станках с ЧПУ принимается равным 5835 ч);

åN_j– суммарный годовой объем выпуска деталей на линии (N_å).

Определим средний такт выпуска деталей:

= 5835/21400=0,27 ч=16,36 мин.

Определим расчетное количество станков на каждой операции S_Pi и принятое количество S_Пi, определяемое путем округления расчетного количества увеличением до целого числа, а также коэффициент загрузки оборудования h_i, определяемый отношением расчетного значения количества станков к принятому количеству.

1) Для станка 400V(005 операция): S_P1 =4,2/16,36=0,26

S_n1 =1, h₁=0,26/1=0,26;

2) Для станка 500HS(010, 015 операции): S_P2 =22,3/16,36=1,36,

S_n2=2, h₂=1,36/2=0,68.

Итого: 3 станка.

Помимо вышеперечисленного оборудования в состав ГАЛ входит: моечно-сушильный аппарат МСА-031 с габаритными размерами 4830x3375*2865 мм; координатно-измерительная машина с габаритными размерами 1365x1082х2185 мм.

Межстаночное расстояние принимаем равным 1300 мм, тогда с учетом габаритов станков получаем длину линии:

L_л= 2400+2*4300+4830+1365+4*1300 = 22395 мм = 22 м 395 мм.

3. Сущность автоматизированных транспортно-складских систем

Автоматизированная складская система (АТСС) – система взаимосвязанных автоматизированных транспортных и складских устройств для укладки, хранения, временного накопления и доставки предметов труда, технологической оснастки.

По характеру организации потоков заготовок и деталей АТСС можно подразделить на:

– АТСС с единой системой складирования и транспортирования

– АТСС с раздельными подсистемами складирования и транспортирования

Разнообразие компоновочных решении АТСС определяется, главным образом, реализацией транспортных потоков и может быть сведено к четырем типам:

1. АТСС с краном-штабелером и совмещенными подсистемами складирования и транспортирования;

2. АТСС с рельсовым транспортом и раздельными подсистемами складирования и транспортирования;

3. АТСС с робокарами и раздельными подсистемами складирования и транспортирования;

4. АТСС с конвейерами, причем подсистемы складирования и транспортирования могут существовать как в совмещенном, так и в раздельном вариантах.

Выбор типа АТСС производится в соответствии с алгоритмом, представленном блок-схемой в учебном пособии /8/.

Учитывая характер проектируемой ГПС, выбираем АТСС с единой системой складирования и транспортирования.

Основной расчетной характеристикой склада является его емкость, которая определяется через число наименований (К_наим) деталеустановок, изготавливаемых в ГПС в течение месяца:

К_наим=

где F_CT – месячный фонд времени работы станка, ч;

S– число станков в ГПС;

Т_ср – средняя станкоемкость изготовления одной деталеустановки, мин;

N_мес – месячный объем выпуска детали-представителя;

F_CT =F*h₃/12,

где, h₃ – нормативный коэффициент загрузки оборудования, h₃ =0,8;

F– эффективный годовой фонд времени работы оборудования, при трехсменной работе F=5835 ч. (станки с ЧПУ)

F_ст=5835×0,8/12=389 ч.

N_мес=800/12=67 шт.

,

где, Т_ci – станкоемкость изготовления детали-представителя на I-й операции;

m– число операций технологического процесса,

Т_ср=(4,2+22,3)/2=13,25 мин.

К_наим=

Полученное число определяет минимальное число ячеек склада при условии, что для каждой деталеустановки используется только один стол-спутник с приспособлением. Для нормальной работы ГПС необходимо, чтобы емкость склада имел некоторый запас (около 10%), тогда оптимальная емкость склада будет равна:

Е_с=1,1 * К_наим= 1,1*78,87 = 86,76 = 87 ячеек.

Более удобно иметь несколько спутников на одну деталь-установку, чтобы уменьшить время пролеживания заготовок на складе.

Определим ориентировочную длительность цикла изготовления детали при маршруте:

ПЗРСтеллажСт1 (Оп.005)Ст2 (Оп. 010,015)МСАКИМСтеллаж ПЗР

где, ПЗР – позиция загрузки-разгрузки детали в приспособлении-спутнике;

Ст – станок;

МСА – моечно-сушильный агрегат;

КИМ – координатно-измерительная машина).

Принимаем:

Время загрузки-разгрузки детали в приспособлении – спутнике – 3 мин.

Время транспортирования – 1 мин.

Время контрольной операции – 6 мин., время моечной операции – 3 мин.

Т_ц = 7*1 мин +2*3 мин +1*3 мин + 6 мин + 4,2 мин +22,3 мин = 48,5 мин.

Тогда при такте выпуска 16,36 мин потребуется 48,5/16,36 = 3 спутника.

Емкость склада равна 87 ячеек* 3 спутника = 261 ячейка.

С учетом размеров спутника выбираем склад с краном-штабелером модели СА-ТСС – 0,16 с ячейкой 600*400*250 мм (по табл. 1.4 /8/), который обладает следующими характеристиками:

грузоподъемность – 160 кг,

высота стеллажа – 4000 мм,

скорость передвижения крана-штабелера – 1,00 м/с

скорость выдвижения грузозахватного органа – 0,25 м/с.

Располагая склад вдоль станков и принимая его однорядным, рассчитаем число ярусов и высоту склада. Если принять длину склада равной длине линии, то на длине 22,395 м разместится 22395/600=37 ячеек.

Тогда высота склада составит 261/37=7 рядов.

Полная высота склада: 7*250+450=2200 мм., что не превышает предельной высоты обслуживания по технической характеристике крана-штабелера.

Расчет количества позиций загрузки-разгрузки спутников

Определим время загрузки-разгрузки приспособления спутника. Время загрузки-разгрузки приспособления-спутника принимаем для схемы базирования детали на столе с креплением четырьмя болтами и планками /1, стр. 246/.

τ з-р = 3,0 мин.

n поз = τ з-р*Кдет/(F поз*60)

Кдет = 21400*3/12 = 5350

Тогда,

Fпоз.= Fр*Ксм/12 = 1820*3/12 = 455 ч

где, Fр – эффективный годовой фонд времени работы рабочих;

К см – количество рабочих смен в сутках.

nпоз = 3*5350/(60*455) = 0,59 = 1

Расчет количества транспортных устройств и их загрузки

Количество транспортных устройств АТСС определяется временем их работы:

К_тр=Т_тр/F_тр,

где, Т_тр – суммарное время работы транспортного устройства в течение месяца, ч;

F_тр – месячный фонд работы транспортного устройства, ч (381 ч для 3-х сменного режима работы).

Для крана-штабелера:

где, Т_{стел-ст}, Т_ст-ст, Т_{поз-стел} – время перемещения от стеллажа к станку, от станка к станку и от позиции загрузки к стеллажу соответственно;

Кстел-ст, Кст-ст, Кпоз-стел – количество соответствующих перемещений.

Количество и характер перемещений крана-штабелера определим по циклу его работы:

ПЗРСтеллажСт1 (Оп.005)МСАСтеллажПЗРСтеллажСт2 (Оп. 010,015)Ст3 (Оп. 010,015)МСАКИМСтеллаж ПЗР

где, ПЗР – позиция загрузки-разгрузки детали в приспособлении-спутнике;

Ст – станок;

МСА – моечно-сушильный агрегат;

КИМ – координатно-измерительная машина).

Из приведенного выше маршрута прохождения заготовки через ПЗР, станки, МСА и КИМ:

«Позиция – стеллаж» – 4 перемещения;

«Стеллаж – станок» – 4 перемещения;

«Станок – станок» – 4 перемещения.

Тогда, при месячном выпуске 1784 шт. (21400/12 = 1784 шт.):

К поз-стел = 7136;

К стел–ст = 7136;

К ст-ст = 7136.

Рассчитаем время перемещений. Длины перемещений найдем графоаналитическим путем (со схемы, построенной в определенном масштабе).

Средняя длина перемещений:

«Стеллаж-позиция»:

l=3.45 м

«Стеллаж-станок»:

l=м

«Станок-станок»:

l=м

Средняя длина вертикального перемещения: 2200–450 = 1,75 м

В общем случае Т=2*(Тк+Тпод+ Тсп), где Тк – время передачи кадра управляющей программы от ЭВМ к системе ЧПУ транспортного устройства, принимаем Тк=0,02 мин; Тпол – время подхода транспортного устройства к заданному месту, мин; Тсп – время съема-установки стола-спутника, тары или заготовки, принимаем Тсп =0,15 мин.

Время подхода КШ равно:

где, L и V– перемещения и скорости по соответствующим координатам. Скорости определяются по технической характеристике крана-штабелёра (уч. пособие, с. 14).

Т_{под поз-стел}= 3.45 / 60+1,75 / 12=0,2 мин;

Т_{под ст-ст}=7.09 / 60 +0/12 =0.12 мин;

Т_{под стел-ст}=9.46 / 60+1,75 / 12=0,3 мин;

Принимая Т_к=0,02 мин., Т_сп =0,15 мин получим

Т _{поз-стел}=2·(0,02+0,2+0,15)=0,74 мин;

Т _ст-ст=2·(0,02+0.12+0,15)=0,58 мин;

Т _{стел-ст}=2·(0,02+0,3+0,15)=0,94 мин;

Подставляя найденные значения в формулу получим время загрузки КШ:

Т_кш=(7136·0,74+7136·0,58+7136·0,94) / 60=268,79 ч

Тогда коэффициент загрузки крана-штабелера составит:

К_кш=268,79 / 381=0,71

На основании найденного значения коэффициента загрузки крана-штабелера делаем вывод о целесообразности выбора АТСС 1 типа.

4. Автоматизированные системы инструментального обеспечения

Автоматизированная система инструментального обеспечения – система взаимосвязанных элементов, включающая участки подготовки инструмента, его транспортирования, накопления, устройства смены и контроля качества инструмента, обеспечивающие подготовку, хранение, автоматическую смену и замену инструмента.

Все разнообразие компоновочных схем АСИО можно свести к 6 типам:

Тип 1 – АСИО с запасом инструментальных комплектов, размещенных в инструментальных магазинах станков ГПС;

Тип 2.1 – АСИО с автоматизированным складом (накопителем) инструментальных комплектов при каждом станке ГПС;

Тип 2.2. 1 – АСИО с совмещенными подсистемами складирования и транспортирования инструментальных комплектов;

Тип 2.3 – АСИО, объединенная с АТСС;

Тип 3 – АСИО со сменными инструментальными магазинами.

Блок-схема алгоритма выбора типа АСИО представлена в /8/.

При выборе типа АСИО определяющим является суммарное количество, необходимых для обработки месячной нормы деталеустановок:

Кин=Кнаим (К1+КД),

где, Кнаим – число наименований деталеустановок;

К1 – число инструментов для обработки одной деталеустановки;

КД – число инструментов-дублеров на одну деталеустановку. Дублеры необходимы для инструментов с малой стойкостью (сверла, особенно малого диаметра). В расчетах можно принимать КД=2–3.

,

где, Тср – средняя станкоемкость обработки одной деталеустановки;

Тин – среднее время работы одного инструмента;

kS-число типоразмеров инструментов, требуемых для полной обработки детали-представителя;

m – число операций технологического процесса изготовления детали-представителя.

Из технологического процесса находим kS=25, m =2.

К1=25/2 =12,5; Кд=2, Кнаим=78,87 (из расчета АТСС).

Кин=78,87·(3+2)=1143,615

Поскольку инструменты, входящие в АСИО хранятся не только на цен
тральном инструментальном складе, но и в магазинах станков, то емкость ЦИС определяется как

Еис=Кин -Еmci,

где Еmci – емкость инструментального магазина i-го станка ГПС.

Габаритные размеры инструментального склада определяются в зависимости от найденной емкости и размеров ячейки (шага) t=120… 200 мм.

Еmci =60, Еис =1143,615 – 60 = 1083,615

t принимаем равным 140 мм. Тогда при расположении инструментального склада в один ярус получаем Lгал/t =22395/140=159,96 = 160 ячеек, принимаем одноярусное расположение ячеек склада. Приняв высоту ячейки 500 мм и расстояние от нижнего яруса до пола цеха 450 мм, находим высоту склада:

Hис=500+450=950 мм.

Расчет загрузки транспорта АСИО

В АСИО смена инструментов осуществляется роботами-операторами (РО), работа которых во многом напоминает работу штабелеров. Для расчета количества роботов-операторов (коэффициента их загрузки) необходимо знать суммарное время их работы:

Кро=Тро/Fpo,

где Тро – суммарное время работы робота-оператора в течение месяца, ч;

Fpo – месячный фонд времени работы робота-оператора, ч.

В свою очередь суммарное время работы робота-оператора будет зависеть от типа системы инструментообеспечения.

Для расчета загрузки РО на складе примем, что инструмент, необходимый для доставки находится в центре склада. Считаем, что инструмент доставляется к станку без очередности их загрузки и без учета инструментальной емкости магазинов-накопителей при станках.

Среднее перемещение робота-оператора на инструментальном складе: Lcp(ис)=0.5 Lис = 22,395*0,5 = 11.2 м

Среднее перемещение робота-оператора при доставке инструмента к инструментальному магазину станка (определяется графоаналитическим методом по схеме):

Lср (им) = (6,8+2,15+3,45)/ 3=4,13 м.

Определим основные расчетные характеристики робота-оператора, характеризующие его работу в линии.

Твв=6Тк+4Tпод+2Тпов+3 (Тв+Тп)+Тчк;

Тсм=4Тк+3Tпод+2 (Тв+Тп)+Тпов,

где Твв – время ввода-вывода одного инструмента;

Тк – время передачи управляющей команды от ЭВМ к роботу-оператору;

TПОД – среднее время подхода робота-оператора к заданному гнезду;

Тв – время выполнения роботом-оператором перехода «взять инструмент»;

Тп – время выполнения роботом-оператором перехода «поставить инструмент»;

Тсм – время смены одного инструмента;

Тпов – время поворота захвата на 180°.

Тк=0,02 мин; Тчк=0,1 мин;

Тв=Тп=0,2 мин; Тпов=0.04 мин.

Время, необходимое для осуществления тех или иных действий робота-оператора определяется исходя из совершаемых перемещении и скоростей этих перемещений.

Vх=60 м/мин; Vy=15 м/мин.

Принимаем, = 0,8 м. = LCP(им)= 4,13 м

Исходя из найденных перемещений по известным значениям скоростей перемещения, найдем время подвода робота-оператора к заданной точке инструментального склада или инструментального магазина:

Тпод(ис)=11,2/60+0,8/15=0,24 мин

Тпод(им)=4,13/60+0,8/15=0,12 мин

Твв=6·0,02+4·0,24+2·0,04+3·0,4+0,1=2,46 мин

Тсм=4·0,02+3·0,12+2·0,4+0,04=1,28 мин

Найдем коэффициент загрузки робота-оператора:

Рассчитаем суммарный коэффициент загрузки кранов-штабелеров и робота-оператора:

К=Ккш+Кро=0,71+0,19=0,9

На основании значения суммарного коэффициента загрузки делаем вывод, что в нашем случае имеем общий для всех станков инструментальный склад. Функции складирования, транспортирования и смены инструмента осуществляет робот-оператор.

Библиографический список

1. Обработка металлов резанием: Справочник технолога. /Под ред. А.А. Панова. – М.: Машиностроение, 1988. – 736 с.

2. Роботизированные технологические комплексы и гибкие производственные системы в машиностроении: Альбом схем и чертежей: Учеб. пособие для вузов /Под ред. Ю.И. Соломенцева. – М.: Машиностроение, 1989. – 846 с.

3. Справочник технолога-машиностроения: В 2-х т. Т. 1. /Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. – М.: Машиностроение, 1985. – 656 с.

4. Справочник технолога-машиностроения: В 2-х т. Т. 2. /Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. – М.: Машиностроение, 1987. – 496 с.

5. Технологические основы ГПС. /Под ред. Ю.С. Соломенцева. – М.:Машиностроение, 1991. – 240 с.

6. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: Справочник. – М.: Машиностроение, 1988.-392 с.

7. Кузнецов М.М. и др. Автоматизация производственных процессов /Под ред. Г.А. Шаумяна. – М.: Высш. шк., 1978. – 431 с.

8. Моисеев Ю.И., Катюк В.А. Классификация и выбор систем складирования, транспортирования и инструментального обеспечения гибких автоматизированных производств: Учеб. пособие. – Курган: Изд-во КМИ, 1993. – 58 с.

9. Моисеев Ю.И. Технологическое проектирование гибких производственных систем в машиностроении: Учеб. пособие. – Курган: Изд-во КМИ, 1996. – 87 с.