АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ИНТЕГРАЦИИ СМЕННЫХ МОДУЛЕЙ НА СТАНКАХ ЧПУ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ СОВРЕМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

ANALYSIS OF TECHNICAL SOLUTIONS OF INTEGRATION OF PLUG-IN MODULES ON CNC MACHINES LASER MACHINING IN A MODERN PRODUCTION

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены научные исследования, сосредоточенные на развитии машиностроительного производства на основе проведения научных и теоретических исследований создания перекомпонуемых производственных систем для применения с высоким уровнем работоспособности, надежности и производительности. Предложенный принцип обеспечивает экономический эффект за счет исключения дублирующихся позиций лазерного и станочного оборудования. Приведены технические решения, направленные на повышение эффективности технологий лазерной обработки в условиях современного производства.

ABSTRACT

The article describes research focused on the development of machine-building production on the basis of scientific and theoretical studies of the creation of perekonnanimi production systems for applications with high standards of efficiency, reliability and performance. The proposed principle provides an economic impact by eliminating duplicate positions and laser machining equipment. The technical solution aimed at improving the efficiency of laser processing techniques in the conditions of modern production.

Ключевые слова: сменный модуль, ЧПУ, перекомпануемые производственные системы, машиностроение.

Keywords: plug-in module, CNC, perekonnanime production systems, mechanical engineering.

Автоматизированное оборудование современ­ного машиностроительного производства — это по сути машины-автоматы и системы машин ав­томатического действия [1]. К числу систем ма­шин автоматического действия массового произ­водства относятся, широко распространенные на современных машиностроительных производствах: станки-автоматы, автоматические линии с рабочими позициями агрегатных стан­ков, станки с числовым программным управлением, обрабатывающие центры, гибкие производственные системы с гибкими производственными модулями, гибкие автома­тизированные производства, робототехнические комплексы — для решения задач крупносерийно­го и серийного производства.

Требование времени определяет выбор новых направлений преобразования машиностроитель­ного производства, которые должны осущест­вляться на развиваемой базе автоматизированно­го оборудования, и ориентировано на систему заказов с независимыми переменными параме­трами по объему, программе выпускаемых изде­лий и производительности. При этом ориентация на гибкие производственные системы, гибкие производственные модули, обрабатывающие центры, не говоря уже о жестких автоматических линиях и агрегатных станках, становится атрибу­том уходящего времени в машиностроении, а не перспективы его развития. Повышение эффектив­ности машиностроительного производства пере­ходит в область исследований создания систем машин новых поколений с новыми качественны­ми и эксплуатационными характеристиками. В основном это области лазерной обработки, при которой применяются сменные модули для унификации оборудования.

На рисунке 1 выделены области изменения технических параметров, представленные на плоскости [1]: 1 — область изме­нения производительности систем машин; 2 — область изменения гибкости, номенклатуры об­рабатываемых изделий для систем машин различных типов; 3 — область изменения произ­водительности и гибкости систем машин пер­спективных направлений, при этом область 3 по­крывает области I и 2. Как видим, области 1 и 2 конфликтуют, ибо с увеличением производи­тельности гибкость уменьшается и наоборот с увеличением гибкости производительность уменьшается. Они как бы определяют водораз­дел — линию симметрии 0₁-0₂-0₃-0₄.

Рисунок 1. Распределение систем машин автоматическо­го действия в соответствии с изменением производи­тельности и гибкости:

АЛ-автоматические линии, АС – специальные станки, ГАЛ-гибкая автоматическая система, ГПС-гибкая производственная система, ГПМ-гибкие производственные модули, ОЦ-обрабатывающий центр

Интегральная характеристика (ИТЭХ) для множе­ства систем машин областей АЛ, АС, ГАЛ, ГПС, ГПМ, ОЦ и других будет включать: наибольшую и наименьшую производительность, достижи­мую системой машин из числа множества; наи­больший годовой объем выпуска изделий; наибольшую номенклатуру и программу выпускаемых изделий; наименьшую стоимость и наименьшие производственные и эксплуатаци­онные затраты на единицу продукции и другие параметры.

Оценивая области изменения (рисунок 1) можно отметить, что развитие машиностроения прежде всего ориен­тировано на разрешение основного производ­ственного противоречия между областями 1, 2 (рисунок 1). Для существующего гибкого производ­ства системы машин обладают по своим техноло­гическим возможностям высоким уровнем гиб­кости и управления технико-эксплуатационными параметрами, но, как правило, невысокой произ­водительностью (область 2, рисунок 1). С другой сто­роны существуют системы машин (область 1) вы­сокопроизводительные, но малой гибкости. Это системы машин массового и крупносерийного производства. В этой связи в мировой практике развития машиностроения предпринимаются усилия приподнять верхние границы областей 1, 2 по вектору А с выходом в область 3 систем ма­шин перспективных направлений над областями 1, 2 по линии симметрии снизу — вверх 0₁-0₂-0₃-0₄-А. Для выпуска новых изделий тре­буется своевременная подготовка, переоснаще­ние основного производства современным, высокопроизводительным оборудованием. Одновременно существует серьезная проблема организации эффективного быстропереналаживаемого производства, создания и применения автоматизированного оборудования, удовлетво­ряющего его требованиям, т.е. оборудования, ко­торое по своим технико-эксплуатационным параметрам могло прогрессировать от О₁ в на­правлении к А, рисунок 1.

Обращаясь к рисунку 1, для перехода в область 3, актуальными становятся технические решения, которые соединяли бы преимущества оборудова­ния, обеспечивающего большие технологические возможности, гибкость и приспосабливаемость к изменению производственных условий, отлича­ющихся большой производительностью. Это означает, что развитие современного производ­ства охватывает постановку и решение задачи создания и внедрения систем машин, предназна­ченных для изготовления изделий все более из­меняющейся номенклатуры при одновременном увеличении производительности и уменьшении стоимости создания и эксплуатации в условиях все возрастающих и изменяющихся требований рынка, заказчика к производителю. Преодоление конфликта производственных противоречий требует проведения исследований, которые мог­ли бы основываться на развитии концепций соз­дания и применения систем машин автоматиче­ского действия с вхождением в область 3, рис. 1. В этой связи исключительно актуальными явля­ются исследования в области систем машин авто­матического действия переменной компоновки (перекомпонуемых или иначе рекомпонуемых систем машин).

Разрушение межузловых и ме­жагрегатных связей системы с последующим перкомпонованием является основным фактором свободы трансформации состояния из одного компоновочного состояния в другое со сменой технологического процесса, а это влечет за собой решение множества научных проблем преодоле­ния главного производственного противоречия обеспечения высокого уровня производительно­сти системы, технологической и структурно­компоновочной гибкости.

Последние десять лет в отечественном машиностроении наблюдаются переход от традиционных технологий к внедрению энергоэффективных технологий, в том числе с применением лазерного оборудования. Предприятия поэтапно отказываются от традиционных технологий и переходят к внедрению станочных систем, обеспечивающих максимальную концентрацию источников технологического воздействия на заготовку в рабочей зоне [2].

В условиях современного многономенклатурного производства потребитель накладывает все более и более высокие требования по обрабатываемым материалам. Усложняется геометрия деталей в сторону применения сложнопрофильных поверхностей высокого порядка. Существенные требования предъявляются к качеству поверхностного слоя изделий (особенно этот вопрос актуален для продукции авиационной промышленности). Уже на этапе проектирования закладываются требования по эксплуатационным характеристикам ответственных поверхностей деталей. Немаловажным является высокая мобильность получения готового конструкторско-технологического решения на базе современных САПР, позволяющая сократить сроки разработки конечного продукта и подготовки его производства. Предприятия, с учетом рыночных ограничений, вынуждены формировать организационную структуру производства, способную в кратчайшие сроки освоить пиковый спрос на востребованную в данный момент на рынке продукцию.

В данной ситуации, традиционные технические решения в виде отдельных позиций станочного специализированного оборудования и лазерного технологического комплекса существенно проигрывают по времени подготовки/переналадки, трудоемкости работ и иным сопутствующим затратам комплексным решениям, активно внедряемым в настоящее время в производство.

Одной из ключевых, не решенных на данный момент, проблем на пути использования комплексных технологий лазерной и механической (лезвийной) обработки является высокая стоимость как лазерного оборудования, так и технологического оснащения для их реализации.

В связи с этим разработки, направленные на поиск комплексных решений в области повышения эффективности внедрения лазерных технологий, сокращение издержек производства при применении лазерных технологий, крайне актуальны.

Развитие современных систем доставки лазерного излучения в зону обработки, в том числе применение для этих целей оптического волокна, позволяют производить передачу лазерного излучения на большое расстояние без существенной потерн мощности излучения. В целом, применение лазеров (импульсных, непрерывных, квазинепрерывных) для решения задач сварки, резки, термоупрочнения, наплавки показало свою эффективность. Полученные результаты свидетельствуют как о высоком уровне технологий с применением в качестве инструмента луча лазера ввиду высоких скоростей обработки (в сравнении с традиционными способами), так и о существенной экономической эффективности технологий лазерной обработки ввиду отсутствия необходимости частого обслуживания лазера как инструмента (в сравнении, например, с постоянной потребностью заточки лезвийного инструмента). Выбор источника лазерного излучения определяется как производственными потребностями, так и экономическими соображениями.

В настоящее время известны комплексные технические решения, когда интеграция технологий лазерной обработки в станочные комплексы происходит по принципу установки дополнительной технологической головки на базе шпиндельного узла станка [3]. При этом происходит совершенствование технологических приемов применения лазерных технологий. Однако при этом не происходит снижения себестоимости лазерной обработки ввиду необходимости капитальных вложений в процессе сопутствующей модернизации станка. Кроме того, такое оборудование имеет существенное ограничение но габаритам рабочей зоны, протяженности рабочих перемещений по координатным осям, массогабаритным показателям обрабатываемой номенклатуры деталей. В этой связи дальнейшее применение такого оборудования оказывается ограниченным.

В данной работе в качестве одного из комплексных решений проблемы расширения функциональных возможностей станка с числовым программным управлением (ЧПУ) предлагается создание устройств в виде автоматически сменных модулей, способствующих максимальной концентрации в рабочей зоне станка как технологий механической (лезвийной) обработки, так и энергоэффективных, гибридных и комбинированных технологий, в том числе с применением лазерного излучения.

В проектном варианте для использования таких устройств рассматривается станок фрезерной или расточной групп с инструментальной системой дискового типа, а также станок с ЧПУ токарной группы с инструментальной системой, выполненной в виде револьверной головки. Предложено типовое исполнение устройства в виде автоматически сменного модуля, обеспечивающего выполнение лазерной обработки непосредственно в рабочей зоне станка согласно управляющей программе без переустановки детали. Модуль для реализации лазерных технологий является автоматически-сменным и может устанавливаться непосредственно в шпиндель станка штатным манипулятором из инструментального магазина.

Конструкция предлагаемого устройства предусматривает блочный тип сборки. Это позволяет скомпоновать устройство под решаемые задачи лазерной обработки и технологические возможности оборудования [4]. Устройство предполагает наличие четырех основных блоков, последовательно соединенных между собой (рис.): источник лазерного излучения (условно не показан); система доставки луча (позиция 1); оптическая система (позиция 2); установочный элемент (позиция 3). На рисунке представлена модель устройства для реализации технологий лазерного упрочнения, сварки, гравировки на станках с ЧПУ фрезерной и расточной групп, оснащенная установочным элементом 3 в виде оправки HSK 63А с инструментальным конусом Капто. По требованию заказчика, возможна замена блоков при необходимости расширения технологических возможностей устройства.

К преимуществам такого решения можно отнести возможность доставки луча лазера, в частности по оптическому волокну, в зону обработки без каких-либо существенных технических ограничений, а также факт применения единого программно-информационного обеспечения, как для оборудования, так и для устройства в процессе реализации лазерных технологий на станочных комплексах с ЧПУ.

Заложенные в основе блочно-модульного принципа технические решения обладают высокой технологической мобильностью. Появляется технический ресурс для расширения функциональных возможностей модуля в зависимости от решаемых технических задач.

Рисунок 2. Проектное устройство:

1 - система доставки лазерного излучения; 2 - оптическая система; 3 - установочный элемент

Предложенные технические решения характеризуются высокой экономической эффективностью при комплексном применении энергоэффективных технологий в рабочей зоне станка с ЧПУ.

Внедрение устройств данного типа в производство позволит сократить производственные       издержки, минимизировать сроки подготовки автоматизированного  оборудования.

Дополнительно применение указанного устройства может обеспечить сокращение затрат, связанных с содержанием обслуживающего персонала, сокращение производственных площадей, сокращение времени на обработку детали (исключается необходимость переустановки детали, настройки лазерного центра на обработку детали, разработки программного обеспечения), сокращение сроков выполнения производственных задач.

Список литературы:

1. Царев А.Ж. К вопросу о системах машин автоматического действия со сменными модулями, проблемы машиностроения и автоматизации №1 - 2012 УДК 658.52.011.56.012.3
2. Малышев В.И. Автоматизация гибридных и комбинированных технологий на основе модернизации станочного оборудования и выбора кинематических связей / В.И. Малышев, Д.Г. Левашкин, А.С. Селиванов // Вектор науки ТГУ. - 2010. - № 3. — С.70-74.
3. Пат. 2443534 Российская Федерация. Станок многоцелевой с числовым программным управлением, лазерной оптической головкой и автоматической сменой инструмента / В. Н. Жаринов, В. В. Жаринов; опубл. 27.02.2012. Бюл. № 6.
4. Огин П.А Реализация энергоэффективных технологий на современных станках с ЧПУ путем применения автоматически сменных модулей на примере лазерной обработки / П.А. Огин, Д.Г. Левашкин // Вектор науки ТГУ. -2016. -№ 2(36). -С.40-45.