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 управ-
ления, микроэлектронные устройства, а также методы испытаний автоматизи-
рованных станков и комплексов. Большое внимание уделено выбору, проекти-
рованию и эксплуатации систем ЧПУ, подготовке управляющих программ, оп-
тимизации 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 металлорежу-
щего оборудования является выбор оптимальной структуры многопозицион-
ных 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 много-
позиционных 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 разра-
ботаны проф. Г.А. Шаумяном. Им же сформулированы закономерности эф-
фективного конструирования многопозиционных машин, названные мето-
дами 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 обра-
ботки и росту производительности оборудования. При параллельном агрега-
тировании число позиций увеличивают в целях одновременной обработки 
нескольких одинаковых изделий или их элементов. В этом случае рост про-
изводительности обеспечивается благодаря увеличению количества обрабо-
танных изделий за цикл, который остается постоянным. Смешанное агрега-
тирование предусматривает возможность одновременного применения по-
следовательного и параллельного агрегатирования. 
Эти методы построения автоматов и автоматических линий широко рас-
пространены 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 требова-
ния 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 изго-
товления 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 плоскошлифоваль-
ные и бесцентрово-шлифовальные автоматы, работающие на проход. 
Машины последовательного действия имеют различные конструктивно-
компоновочные 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 сто-
ла, после чего следует его поворот, обеспечивающий необходимое транс-
портное перемещение заготовки из позиции в позицию. Цикл изготовления 
детали соответствует полному обороту стола, закрепление и открепление за-
готовки 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 холо-
стых 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 загруз-
ка и зажим, открепление и съем. Поворот стола — несовмещенное время хо-
лостого хода. 

 
9.2. Автоматы и автоматические линии последовательного действия 
5 

По такой схеме построены токарные многошпиндельные автоматы и по-
луавтоматы вертикального и горизонтального типа, многопозиционные агре-
гатные станки, сборочные, контрольные и другие автоматы. При большем 
числе позиций (q > 8) их круговая компоновка на столе становится нерацио-
нальной, так как большая площадь в центре стола остается неиспользован-
ной. В этом случае применяют линейную компоновку позиций, а обработку 
проводят в стационарных приспособлениях на рабочих позициях. 
Для дискретных транспортных перемещений используют шаговые кон-
вейеры. В прямоточных машинах непрерывного действия перемещение заго-
товок 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 накопи-
тель или из накопителя. Таким образом происходит компенсация несовпада-
ющих 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 диффе-
ренциации и концентрации операций, что выполняется по критериям произ-
водительности, надежности в работе, экономической эффективности.  
Ожидаемую производительность Qq однопозиционного автомата после-
довательного 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 ком-
плекта 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 длительно-
стью tр.х 0,  но число позиций обработки может быть различным. При равно-
мерной 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 проис-
ходит 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 дли-
тельные операции (загрузка и зажим, открепление и съем) становятся совме-
щенными и на длительность рабочего цикла не влияют. Несовмещенными 
холостыми ходами остаются быстрый подвод и отвод инструментов и пере-
мещение заготовки с позиции на позицию, которые определяются лишь ди-
намическими характеристиками оборудования и от числа позиций q не зави-
сят, поэтому tх.х = const. 
Потери по оборудованию зависят от числа позиций, так как при увеличе-
нии 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 уменьшение 
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 то-
карного станка является наличие в кинематической схеме подвижной шпин-
дельной бабки. Продольная подача (вдоль оси шпинделя Z1) заготовки осу-
ществляется 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 высокопроизводи-
тельной обработки заготовок из калиброванного прутка. Вследствие этого, а 
также в связи с геометрическими особенностями компоновки в них исполь-
зуют цанговый тип зажима заготовки. Применение в конструкциях таких 
станков контршпинделя, устанавливаемого на линейные направляющие и 
перемещающегося по осям Z3 и X3, способствует существенному повыше-
нию производительности обработки. Рама инструментального суппорта 

9. Основы проектирования автоматов и автоматических линий 
 

главного шпинделя перемещается по осям X1 и Y1. Инструментальный суп-
порт контршпинделя часто выполняют раздельно с основным, при этом ин-
струментальные суппорты могут асинхронно перемещаться относительно 
своих шпинделей. 
Револьверная головка обеспечивает одновременную обработку заготовок 
в главном и контршпинделе (рис. 9.2, а), одновременное точение двумя рез-
цами с обработкой в контршпинделе (рис. 9.2, б), а также синхронизацию то-
чения, 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 — точе-
ние, 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 шпинде-
лями. Станки имеют две или три револьверные головки, которые могут одно-
временно и независимо одна от другой обрабатывать заготовки, установлен-
ные 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 го-
ловки могут активироваться пооче-
редно или одновременно в соответ-
ствии с заданной программой, чтобы 
обеспечить полную обработку заго-
товки со всех сторон. Система син-
хронизации 
вращения 
шпинделей 
дает возможность переустанавливать 
заготовку из главного шпинделя в 
контршпиндель без остановки стан-
ка. Перехват заготовки контршпин-
делем повышает точность взаимного 
расположения поверхностей, обраба-
тываемых с разных установов. 
Примером шлифовального мно-
гошпиндельного станка с ЧПУ по-
следовательного действия, имеющего 
вертикальную компоновку, является 
станок с двумя независимыми приво-
дами 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 — заго-
товка 
 
Примеров использования автоматических линий последовательного дей-
ствия, 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 хо-
нингования. 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 — кон-
трольная позиция; 19, 22 — поперечные конвейеры; 20 — продольный конвейер; 21 — пози-
ция загрузки-разгрузки