Проектирование автоматизированных станков и комплексов. Том 2

 
 
 
 
 
 
 
 
Проектирование 
автоматизированных 
станков и комплексов 

 
В двух томах 

Под редакцией П.М. Чернянского 

Том 2 
 
 
Допущено Учебно-методическим объединением вузов  
по университетскому политехническому образованию  
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,  
обучающихся по направлению «Технологические машины  
и оборудование» и специальности «Проектирование  
технических и технологических комплексов» 
 
2-е издание, исправленное 
 
 
 

 
Москва 2014 

УДК 621.9.06.001.63(075.8) 
ББК 34.63-5-02.я2 
  П79 
 
А в т о р ы:  
В.М. Утенков, Г.Н. Васильев, Б.М. Дмитриев, В.В. Додонов, В.Б. Мещерякова,  
В.Т. Рябов, В.С. Стародубов, П.Г. Тимофеев  
 
Р е ц е н з е н т ы: 
кафедра «Автоматизированные станочные системы и инструменты»  
МГТУ «МАМИ» (д-р техн. наук, проф. Ю.В. Максимов,  
канд. техн. наук, проф. В.А. Михайлов); 
д-р техн. наук, проф. П.М. Кузнецов 
 
Проектирование автоматизированных станков и комплексов : 
учебник : в 2 т. / под ред. П. М. Чернянского. – 2-е изд., испр. —  
М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014.  
ISBN 978-5-7038-3809-9 

Т. 2. — 303, [1] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-3811-2 (Т. 2)  
Во втором томе учебника рассмотрены вопросы проектирования и управления, микроэлектронные устройства, а также методы испытаний автоматизированных станков и комплексов. Большое внимание уделено выбору, проектированию и эксплуатации систем ЧПУ, подготовке управляющих программ, оптимизации и средствам автоматизированного проектирования. 
Содержание учебника соответствует курсам лекций, читаемых авторами в 
МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Технологические 
машины и оборудование» и специальности «Проектирование технологических 
комплексов». Может быть полезен преподавателям и инженерам, работающим 
в области станкостроения. 
 
УДК 621.9.06.001.63(075.8) 
ББК 34.63-5-02.я2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-3811-2 (Т. 2) 
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-3809-9 
 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 

П79 

 

 

9. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТОВ  
И АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ 

9.1. СТРУКТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ОБОРУДОВАНИЯ 

Одной из важных задач в области создания современного металлорежущего оборудования является выбор оптимальной структуры многопозиционных автоматов и автоматических линий. Под структурой рабочей машины 
обычно подразумевают совокупность элементов и систем, включенных в ее 
состав, с определенным характером их взаимодействия. От структуры многопозиционных автоматов и автоматических линий существенно зависят их 
производительность и другие технико-экономические показатели. 
Многопозиционные станки и автоматические линии выполняют в виде 
агрегатированных машин последовательного, параллельного или смешанного 
действия. Теоретические основы создания такого вида оборудования разработаны проф. Г.А. Шаумяном. Им же сформулированы закономерности эффективного конструирования многопозиционных машин, названные методами агрегатирования. Термин «агрегатированная машина» в данном случае 
близок по смыслу к термину «скомпонованная машина». 
Метод последовательного агрегатирования предусматривает деление 
объема цикла обработки на элементы, которые выполняются одновременно 
на нескольких позициях, что приводит к уменьшению времени цикла обработки и росту производительности оборудования. При параллельном агрегатировании число позиций увеличивают в целях одновременной обработки 
нескольких одинаковых изделий или их элементов. В этом случае рост производительности обеспечивается благодаря увеличению количества обработанных изделий за цикл, который остается постоянным. Смешанное агрегатирование предусматривает возможность одновременного применения последовательного и параллельного агрегатирования. 
Эти методы построения автоматов и автоматических линий широко распространены в производстве машиностроительной и приборостроительной 
продукции. Они дополняют друг друга и дают возможность варьировать 
структуру конструкции, т. е. количество объединяемых на каждом станке 
элементарных операций и последовательность их выполнения. Разнообразие 
размеров и форм изготовляемых деталей, а также технологические требования позволяют иметь большое количество структурных схем оборудования. 
При выборе оптимального варианта необходимо учитывать производитель

9. Основы проектирования автоматов и автоматических линий 
 

ность, точность, надежность и стоимость оборудования, себестоимость изготовления деталей и другие показатели. 

9.2. АВТОМАТЫ И АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ 
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ 

В машинах последовательного действия концентрируются разноименные 
операции технологического процесса. Машина имеет один технологический 
комплект инструмента, рассредоточенный по q рабочим позициям. Конструктивным признаком машин последовательного действия является наличие 
стационарных рабочих зон — позиций, оснащенных необходимыми механизмами и инструментами. Последовательно перемещаясь из позиции в позицию, из одной рабочей зоны в другую, каждая заготовка получает необходимый объем технологического воздействия. При этом окончательное формирование качества детали происходит только на последней, выпускаемой 
позиции. 
Различают машины дискретного и непрерывного последовательного действия. У первых транспортные перемещения заготовок дискретны (из позиции в позицию), во время обработки они закреплены и могут совершать лишь 
вращательные движения, а все движения подачи осуществляются механизмами рабочих ходов с инструментами. У вторых транспортные перемещения 
непрерывны, а заготовки равномерно перемещаются через рабочие зоны мимо инструментов, которые совершают, как правило, лишь вращательные 
движения. По такой схеме построены, например, многие плоскошлифовальные и бесцентрово-шлифовальные автоматы, работающие на проход. 
Машины последовательного действия имеют различные конструктивнокомпоновочные формы. Так, при малом числе позиций q в автоматах более 
рационально не линейное, а круговое расположение позиций, когда заготовки 
устанавливают на круглом столе вертикально или горизонтально. Обработку 
на всех позициях, а также загрузку и съем проводят во время остановки стола, после чего следует его поворот, обеспечивающий необходимое транспортное перемещение заготовки из позиции в позицию. Цикл изготовления 
детали соответствует полному обороту стола, закрепление и открепление заготовки выполняется один раз в загрузочно-разгрузочной позиции. Время 
рабочего цикла 

 
р.х
х.х
ост
пов,
T
t
t
t
t
=
+
=
+
 
(9.1) 

где tр.х — время выполнения рабочих ходов; tх.х — время выполнения холостых ходов; tост — длительность стояния стола; tпов — длительность поворота 
стола. 
При остановке стола производятся все рабочие ходы, а также быстрые 
подводы и отводы инструментов, с которыми совмещены во времени загрузка и зажим, открепление и съем. Поворот стола — несовмещенное время холостого хода. 

 
9.2. Автоматы и автоматические линии последовательного действия 
5 

По такой схеме построены токарные многошпиндельные автоматы и полуавтоматы вертикального и горизонтального типа, многопозиционные агрегатные станки, сборочные, контрольные и другие автоматы. При большем 
числе позиций (q > 8) их круговая компоновка на столе становится нерациональной, так как большая площадь в центре стола остается неиспользованной. В этом случае применяют линейную компоновку позиций, а обработку 
проводят в стационарных приспособлениях на рабочих позициях. 
Для дискретных транспортных перемещений используют шаговые конвейеры. В прямоточных машинах непрерывного действия перемещение заготовок выполняют цепными или валковыми устройствами.  
Недостаток схемы последовательного действия — ее малая надежность, 
так как любой отказ механизма, инструмента, органов управления приводит к 
отказу всей системы. Поэтому сложные системы принято делить на участки 
(секции) и устанавливать межоперационные накопители. Тогда при отказе 
какого-либо участка остановится только он, другие будут работать в накопитель или из накопителя. Таким образом происходит компенсация несовпадающих во времени простоев, повышение производительности и надежности 
систем при тех же характеристиках встроенного оборудования. 
Условно принято системы с круговым расположением позиций относить 
к многопозиционным автоматам, а с линейным — к автоматическим линиям. 
Важнейшей задачей расчета и проектирования машин последовательного 
действия является выбор числа их позиций q, оптимальной степени дифференциации и концентрации операций, что выполняется по критериям производительности, надежности в работе, экономической эффективности.  
Ожидаемую производительность Qq однопозиционного автомата последовательного действия оценивают с учетом длительности рабочего цикла и 
внецикловых потерь:  

 

р.х
х.х
ин
об
1

1
,
q
n

i
i

Q
t
t
t
t
=

=
+
+
+
∑

 
(9.2) 

где 
ин
1

n

i
i
t
=∑
 — внецикловые потери одного комплекта инструмента; n — число 

инструментов в одном комплекте; tоб — внецикловые потери одного комплекта механизмов и устройств оборудования. 
Для определения производительности Qq автомата в зависимости от числа 
позиций оценим слагаемые в знаменателе формулы (9.2). 
Время tр.х рабочих ходов цикла определяют из условия, что при любом 
числе позиций q машина выполняет один и тот же объем работ длительностью tр.х 0,  но число позиций обработки может быть различным. При равномерной дифференциации рабочего цикла tр.х = tр.х 0/q, при неравномерной — 
tр.х > tр.х 0/q и Qq рассчитывают для позиции, где выполнение операции происходит наиболее долго. 

9. Основы проектирования автоматов и автоматических линий 
 

Время tх.х холостых ходов цикла у автоматов последовательного действия 
будет значительно меньше, чем у однопозиционных, так как наиболее длительные операции (загрузка и зажим, открепление и съем) становятся совмещенными и на длительность рабочего цикла не влияют. Несовмещенными 
холостыми ходами остаются быстрый подвод и отвод инструментов и перемещение заготовки с позиции на позицию, которые определяются лишь динамическими характеристиками оборудования и от числа позиций q не зависят, поэтому tх.х = const. 
Потери по оборудованию зависят от числа позиций, так как при увеличении q растет конструктивная сложность машин, число механизмов рабочих и 
холостых ходов. Будем считать эти потери пропорциональными числу позиций, т. е. равными tоб q. 
Таким образом, производительность автомата последовательного действия в зависимости от числа рабочих позиций q определяется выражением 

 

р.х0
х.х
ин
об
1

1
.
q
n

i
i

Q
t
q
t
t
qt
=

=
+
+
+
∑

 
(9.3) 

Взяв первую производную 
q
dQ
dq  и приравняв ее к нулю, получим выражение для числа позиций qопт, обеспечивающих максимальную производительность автомата: 

 
опт
р.х 0
об .
q
t
t
=
 
(9.4) 

В реальных условиях при неравномерности дифференциации технологического процесса и неизбежных организационных простоях производительность всегда будет меньше теоретической. 
В автоматических линиях, разделенных на участки, происходит уменьше
ние внецикловых потерь 
ин
об
1
,

n

i
i
t
qt
=
+
∑
 которое зависит от числа m участков. 

Ожидаемую производительность автоматической линии последовательного 
действия можно выразить уравнением 

 
л
загр

р.х
х.х
ин
об
1

1
,
1
q
n

i
i

Q
t
t
t
qt
W
m
=

=
η
⎛
⎞
+
+
+
⎜
⎟
⎝
⎠
∑

 
 (9.5) 

где tр.х — время рабочих ходов для позиции, на которой продолжительность 
обработки наибольшая; W — коэффициент возрастания потерь вследствие их 
неполной компенсации накопителями, W > 1 (W = 1, если вместимость накопителей Vнак = ∞); ηзагр — коэффициент загрузки, учитывающий организационно-технические потери линии. 
Долгое время наиболее распространенными в промышленности металлорежущими станками последовательного действия были многошпиндельные 

 
9.2. Автоматы и автоматические линии последовательного действия 
7 

токарные автоматы с управлением от распределительного вала. Это, например, выпускаемые в настоящее время автоматы СБ6000 (Белоруссия), Metra 
MH (Украина). По своим техническим характеристикам они близки широко 
распространенным прутковым многошпиндельным токарным автоматам моделей 1Б240, 1Б265, 1Б290 (Россия). Осуществляется производство серии шести- и восьмишпиндельных станков MORI-SAY (Чехия) с использованием 
программируемых контроллеров в системе их управления. Традиционно мировым лидером в области производства горизонтальных многошпиндельных 
токарных автоматов является немецкая фирма Gildemeister (концерн DMG) с 
шестишпиндельными станками серии GM. 
Станки с числовым программным управлением (ЧПУ) последовательного 
действия широко представлены сегодня прутковыми токарными автоматами 
попутного точения и токарными обрабатывающими центрами, оснащенными 
двумя шпинделями. 
Основным отличием автомата продольного точения от классического токарного станка является наличие в кинематической схеме подвижной шпиндельной бабки. Продольная подача (вдоль оси шпинделя Z1) заготовки осуществляется за счет перемещения в этом направлении шпиндельной бабки 
главного шпинделя (рис. 9.1). 

 

Рис. 9.1. Автомат продольного точения с ЧПУ 
 
Автоматы продольного точения предназначены для высокопроизводительной обработки заготовок из калиброванного прутка. Вследствие этого, а 
также в связи с геометрическими особенностями компоновки в них используют цанговый тип зажима заготовки. Применение в конструкциях таких 
станков контршпинделя, устанавливаемого на линейные направляющие и 
перемещающегося по осям Z3 и X3, способствует существенному повышению производительности обработки. Рама инструментального суппорта 

9. Основы проектирования автоматов и автоматических линий 
 

главного шпинделя перемещается по осям X1 и Y1. Инструментальный суппорт контршпинделя часто выполняют раздельно с основным, при этом инструментальные суппорты могут асинхронно перемещаться относительно 
своих шпинделей. 
Револьверная головка обеспечивает одновременную обработку заготовок 
в главном и контршпинделе (рис. 9.2, а), одновременное точение двумя резцами с обработкой в контршпинделе (рис. 9.2, б), а также синхронизацию точения, осевой обработки и обработки в контршпинделе (рис. 9.2, в). 

 

Рис. 9.2. Варианты одновременной обработки заготовок на автомате продольного 
точения с ЧПУ: 
а — обработка в главном и контршпинделе (управление по осям Z1 и Z3); б — точение двумя 
резцами и обработка в контршпинделе (управление по осям X1, Y1, X2, Y2, Z3, X3, Y3); в — точение, осевая обработка и обработка в контршпинделе (управление по осям Z1, X1, X2, Z3, X3, Y3) 
 
 
Токарные обрабатывающие центры с ЧПУ, использующие преимущества 
оборудования последовательного действия, также оснащают двумя шпинделями. Станки имеют две или три револьверные головки, которые могут одновременно и независимо одна от другой обрабатывать заготовки, установленные в разных шпинделях (рис. 9.3, см. также рис. 2.20, т. 1). 

 
9.2. Автоматы и автоматические линии последовательного действия 
9 

Шпиндели и револьверные головки могут активироваться поочередно или одновременно в соответствии с заданной программой, чтобы 
обеспечить полную обработку заготовки со всех сторон. Система синхронизации 
вращения 
шпинделей 
дает возможность переустанавливать 
заготовку из главного шпинделя в 
контршпиндель без остановки станка. Перехват заготовки контршпинделем повышает точность взаимного 
расположения поверхностей, обрабатываемых с разных установов. 
Примером шлифовального многошпиндельного станка с ЧПУ последовательного действия, имеющего 
вертикальную компоновку, является 
станок с двумя независимыми приводами управления суппортами, на которых установлены шлифовальные 
шпиндели (рис. 9.4). 

 

Рис. 9.4. Многошпиндельные станки с ЧПУ с верхним (а) и нижним (б) 
положением шлифовальных кругов 
 
Дифференциация обработки между последовательно расположенными 
позициями обеспечивает высокую производительность многопозиционных 
агрегатных станков (рис. 9.5). 

 

Рис. 9.3. Токарный обрабатывающий 
центр с ЧПУ 

9. Основы проектирования автоматов и автоматических линий 
 

 

Рис. 9.5. Схема многопозиционного агрегатного 
станка последовательного действия: 
1 — агрегатные головки; 2 — поворотный стол; 3 — заготовка 
 
Примеров использования автоматических линий последовательного действия, где металлообрабатывающее оборудование равномерно распределяет 
между собой часто очень большой объем обработки, можно привести много. 
В автомобильной промышленности обработку, например, блока цилиндров и 
его головки производительностью 50…100 тыс. деталей в год практически 
повсеместно выполняли на поточных линиях. При этом наряду с осевыми 
операциями, реализуемыми на агрегатных станках, применяли фрезерование 
по вертикальной и горизонтальной плоскостям, фрезерование цилиндров и 
посадочных мест под бугели коленчатого вала, операции шлифования и хонингования. Планировка характерного образца таких автоматических линий 
показана на рис. 9.6. 

 

Рис. 9.6. Планировка автоматической линии для обработки крестовины карданного 
вала: 
1—16 — силовые агрегатные головки; 17 — устройство для удаления стружки; 18 — контрольная позиция; 19, 22 — поперечные конвейеры; 20 — продольный конвейер; 21 — позиция загрузки-разгрузки