УЧЕБНАЯ ГИБКАЯ ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ СИСТЕМА С КОМПЬЮТЕРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Учебная гибкая производственная система (ГПС) относится к области образования и предназначена для проведения лекционных занятий, практических, лабораторных, учебной и научно-исследовательской работ по различным дисциплинам, связанным со станками, резанием, инструментом, технологией машиностроения, роботами, гибкими производственными модулями, гибкими производственными системами, электроприводами, автоматизацией, электроавтоматикой, информационно-измерительными системами, числовым программным управлением, микропроцессорными системами, вычислительной техникой и современными информационными технологиями и др.
Известна учебная гибкая производственная система, включающая станки с ЧПУ, роботы, склад заготовок, общую систему управления (Интернет-информация «Система дистанционного обучения по робототехнике и мехатронике на базе современных информационных технологий»// Московский государственный университет радиотехники, электроники и автоматики// И.М.Макаров, В.М.Лохин, С.В.Манько, М.П.Романов// Educational Technology&Society 7(3) 2004. ISSN 1436-4522, см. Приложение). Гибкая производственная система содержит пять аппаратно-независимых робототехнических модулей: автоматизированный склад (накопитель заготовок), роботизированный центр фрезерной обработки, роботизированный сборочный центр, роботизированный центр токарной обработки, энергонезависимый транспортный робот. Все модули управляются на базе промышленных компьютеров, соединенных общей локальной вычислительной сетью между собой и с главной ЭВМ. Каждый модуль ориентирован на выполнение определенных технологических операций и может функционировать как в составе ГПС, так и абсолютно независимо.
Недостатками такой конструкции ГПС являются: невозможность обслуживания одним роботом более одного станка, отсутствие тактовых столов-накопителей заготовок и инструмента, отсутствие многооперационных станков, применение промышленных компьютеров, имеющих высокую стоимость, что снижает функциональные и дидактические возможности учебной ГПС и доступность для большинства учебных заведений.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является расширение функциональных и дидактических возможностей ГПС, снижение стоимости ГПС.
Указанная техническая задача решается тем, что учебная гибкая производственная система, содержащая станки с ЧПУ, роботы, склад-накопитель заготовок и связывающую их систему управления на базе компьютеров, согласно предложению, она снабжена комплексом станков с ЧПУ, включающем, по крайней мере, два - три станка с ЧПУ одного или разных типов, причем каждый из роботов связан более чем с одним станком с ЧПУ, а также снабжена тактовыми столами в качестве накопителей заготовок и инструмента, каждый из которых связан с роботами и системой управления, при этом приводы и электроавтоматика станков, роботов, тактовых столов-накопителей и компьютерные устройства ЧПУ станков и роботов взаимосвязаны между собой распределенной локальной компьютерной сетью на базе персональных компьютеров. Система может включать только токарные или фрезерные станки или токарные и фрезерные станки или токарные, фрезерные и многооперационные станки. Тактовые столы могут быть накопителями заготовок разного типа.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 дан общий вид ГПС с минимальным набором оборудования; на фиг.2 - то же, вид сбоку; на фиг.3 - схема компоновки ГПС; на фиг.4 - цанга с инструментом; на фиг.5 - тактовый стол-накопитель инструмента; на фиг.6 - тактовый стол-накопитель заготовок.
В состав приведенного образца учебной ГПС с минимальным набором оборудования входят учебный сверлильно-фрезерный станок 1 с компьютерной системой ЧПУ, учебный токарный станок 2 с компьютерной системой ЧПУ, система управления с управляющим компьютером 3, робот 4 с компьютерной системой ЧПУ, устройство 5 для накопления заготовок в виде тактового стола, склад-накопитель (магазин) 6 заготовок, устройство 7 автоматизированного зажима - разжима инструмента, устройство 8 для накопления инструмента в виде тактового стола. Оборудование ГПС размещается на специальном подиуме 9, причем блоки 10, 11 управления станков располагаются на нижнем ярусе подиума, там же может располагаться системный блок управляющего компьютера 3.
В комплекс станков с ЧПУ могут быть включены учебный токарный станок по патенту на полезную модель №35456 (один или два станка), учебный сверлильно-фрезерный станок по патенту на полезную модель №35457 (один или два станка), учебный фрезерный станок по патенту на полезную модель №49640 (один или два станка), учебный сверлильно-фрезерный станок по патенту на полезную модель №50030 (один или два станка), учебный сверлильно-фрезерный станок по патенту на полезную модель №50329 (один или два станка).
Система автоматизированной смены инструмента (САСИ) включает тактовый стол 8 (инструментальный магазин) для накопления инструмента, устройство 7 зажима-разжима патрона инструмента, установленное на стойке сверлильно-фрезерного станка и использует робот 4 для смены инструмента в патроне. Зажим инструмента в цанге 12 обеспечивается гайкой 13.
Инструментальный магазин 8 содержит корпус 14, в котором установлен электродвигатель (на чертеже не показан), на валу электродвигателя установлена 4-х позиционная планшайба 15 (круглый поворотный стол). Планшайба опирается на шарики установленные в кольцевом пазу основания. Конечный выключатель 16, установленный на корпусе 14, взаимодействует со штырьками 17, установленными на планшайбе 15. На планшайбе имеются гнезда 18
для размещения цанг 12 с инструментом. Цанги располагаются в гнездах хвостовиками вверх. Робот захватывает цанги и переносит их в разжатый устройством 7 патрон станка.
Автоматизированную смену заготовок или паллет с заготовками обеспечивает робот 4. Паллеты с заготовками устанавливаются на многопозиционном (например, 4-х позиционном) тактовом столе-накопителе 5. Робот поочередно устанавливает паллеты в зажимное приспособление станка 1, после зажима паллеты в зажимном приспособлении станка схват робота разжимается и рука робота возвращается в исходное положение.
Этапы цикла смены заготовок аналогичны этапам смены инструмента.
Склад-накопитель 6 предназначен в основном для накопления заготовки типа тел качения, тактовые столы - в основном для заготовок других типов, в том числе, установленных на паллетах.
Управление автоматизированной сменой инструмента и заготовок, как и всей ГПС, обеспечивается по командам персонального управляющего компьютера 3.
Приводы тактовых столов-накопителей инструмента 8 и заготовок 5 и устройства зажима-разжима 7 обеспечиваются от электродвигателей. Для позиционирования накопителей предусмотрены конечные выключатели 16, установленные на корпусах 14 и упоры (штырьки) 17, установленные на планшайбах 15. При наезде конечного выключателя на упор в систему управления 3 подается сигнал о достижении заданной позиции и система управления обеспечивает останов соответствующего электродвигателя. Управление приводом зажимного устройства 7 обеспечивается программно по времени.
Конструкции накопителей инструмента и заготовок аналогичны. На планшайбе накопителя заготовок размещены конические ограничители 19, обеспечивающие положение паллет с заготовками.
Работа ГПС осуществляется следующим образом. Управляющая программа робота обеспечивает следующий цикл работы системы автоматизированной смены инструмента:
- робот захватывает инструментальную оправку (цангу с инструментом), находящуюся в позиции смены инструментального магазина;
- производится зажим схвата робота (зажим инструментальной оправки);
- рука робота перемещается вверх, вытаскивая оправку из гнезда магазина;
- по всем осям станка обеспечивается перемещение, необходимое для смены инструмента (в положение, не мешающее поводу оправки с инструментом);
- робот перемещает оправку в положение соосное шпинделю станка;
- зажимное устройство разжимается;
- движением вверх робот вводит хвостовик оправки в патрон;
- зажимное устройство зажимает хвостовик инструментальной оправки в патроне;
- разжимается схват робота;
- рука робота возвращается в исходное положение;
- управление передается управляющей программе станка - происходит обработка детали;
- если в очередном кадре управляющей программы (УП) станка имеется команда смены инструмента, узлы станка по всем осям перемещаются в положение смены и управление передается УП робота;
- робот захватывает схватом инструментальную оправку;
- происходит зажим схвата;
- зажимной механизм разжимает оправку;
- робот вытаскивает оправку из патрона и переносит ее в то же свободное гнездо магазина;
- происходит разжим схвата;
- рука робота возвращается в исходное положение;
- стол поворачивается, пока в позицию смены не установится заданный в УП станка инструмент.
Далее все движения повторяются.
Робот, кроме того, имеет возможность в соответствии с управляющей программой: - захватывать паллеты с заготовками из позиции смены заготовок
стола 5, устанавливать их в приспособление сверлильно-фрезерного станка 1, а также извлекать паллету из приспособления и устанавливать на тактовый стол; - выполнять извлечение заготовки из склада-накопителя 6 и установку ее в центра токарного станка 2, а также возврат обработанной заготовки в склад-накопитель или установку ее в зажимное приспособление сверлильно-фрезерного станка 1.
Управление ГПС осуществляется от персонального компьютера 3 через блоки управления станков 10, 11, получающие питание от сети 220В.
Управление циклом работы ГПС выполняется локальной распределенно-компьютерной системой ЧПУ класса PRCNC, которая аппаратно реализована на базе системного блока компьютера и блоков управления станков.
На компьютерных имитаторах устройства ЧПУ (УЧПУ) реализуются все функции по наладке и программированию станков и ГПС: установка нужного инструмента, ввод и редактирование управляющей программы (УП), выход в нуль станка, ввод корректоров и параметров, взаимосвязь систем координат УЧПУ, станка и детали, все режимы и подрежимы имеющихся УЧПУ, обработка виртуальной детали с использованием всех функций программирования, в том числе, сплайновой интерполяции, технологическое диагностирование управляющих программ по условиям обработки и требованиям чертежа детали, замена заготовки и инструмента. От того же имитатора УЧПУ выполняется ввод управляющих импульсов и управление реальной ГПС для обработки реальной детали на станках ГПС. На базе одного из станков, робота и накопителей можно обеспечить функционирование системы в статусе гибкого производственного модуля (ГПМ).
Функциональные и дидактические возможности учебной ГПС позволяют применять ее в учебном процессе при лекционных, практических, лабораторных, учебных и научно- исследовательских работах для:
- изучения вариантов состава, структуры и компоновки станочных систем;
- изучения системы управления и программирования;
- исследования отказов;
- изучения конструкции устройств и механизмов станочных систем;
- получения навыков программирования работы ГПС;
- разработки и оптимизации циклограмм ГПС;
- изучения роботов и электроавтоматики;
- оценки технико-экономической эффективности станочных систем;
- проверки расчетных методик и разработки вариантов компоновок и конструкций механизмов ГПМ и ГПС, разработки 3D моделей станочных систем и их механизмов, разработки имитационных и математических моделей.
Предложенная учебная гибкая производственная система с компьютерным управлением позволит получать знания по резанию, инструменту, станкам, технологии обработки конструкционных материалов, электроприводам, электроавтоматике, информационно-измерительным системам, системам ЧПУ, современным информационным технологиям, а также приобретать умения и навыки по программированию и наладке станков с ЧПУ, режимам и технологии обработки деталей на станках, по наладке и эксплуатации электроприводов и систем управления. ГПС позволит проводить учебные и научно-исследовательские работы по резанию, инструменту, станкам, технологии обработки деталей, электроавтоматике, системам ЧПУ моделированию динамики приводов и системы управления др.
С помощью созданной станочной системы можно более эффективно решать задачи подготовки бакалавров, инженеров и магистров, а также обеспечивать мелкосерийное производство мелких изделий из пластмасс и дерева.