CC BY
183
викэшш ©шеджшй
СТАРОДУБОВ Виктор Семенович
кандидат технических наук,
доцент (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
STARODUBOV Viktor Semenovich
Candidate of Engineering Sciences, Assoc. Prof.
(MSTU named after N.E. Bauman)
УДК 621.9.06
Модульный принцип построения металлорежущих станков с числовым программным управлением
В.С. Стародубов
Изложены основные положения модульного принципа построения металлорежущих станков с числовым программным управлением. Рассмотрены возможные варианты его применения для построения данных станков.
Ключевые слова: металлорежущие станки с числовым программным управлением, модуль, модульная конструкция металлорежущего станка, унификация, стоимость, срок поставки.
Modular principle of CNC machine tools
V.S. Starodubov
The underlying principles of modular design of numerically controlled machine tools are stated. Possible versions of the modular design application on multi-purpose machine tools are considered.
Keywords: numerically controlled machine tools, module, modular design of machine tool, unification, cost, contract date.
/Одна из главных задач современного машиностроения и в первую очередь станкостроения — дальнейшая автоматизация изготовления деталей в среднесерийном и мелкосерийном производствах на основе применения различных типов металлорежущих станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Особенностью данных производств является постоянное расширение и обновление номенклатуры изготовляемых деталей, необходимость производить обработку заготовок из новых материалов. Повышаются требования по точности и производительности обработки, появляется необходимость применять новые технологические процессы обработки, новые более прогрессивные режущие инструменты. Увеличивается концентрация выполняемых технологических операций на одном станке для изготовления деталей с одной установки с выполнением наряду с точением, сверлением, фрезерованием, расточкой, нарезанием резьбы также обработку шлифованием, сваркой лазером, давлением и др. При этом на одном станке выполняют и черновую и чистовую обработку.
В ряде случаев необходимо проводить очень сложную обработку заготовок с одновременным управлением по трем, четырем и пяти координатам одновременно при высоких требованиях по точности обработки.
Станки с ЧПУ применяются в разных отраслях промышленности: общего машиностроения, авиационной промышленности, в производстве различного электрооборудования, медицинской техники,
в приборостроении, в оборонной промышленности и др. Поэтому к современным станкам с ЧПУ предъявляются требования высокой производительности и точности в сочетании с широкой универсальностью и высокой мобильностью (гибкостью), позволяющих производить быстрый переход с изготовления одних деталей на изготовление других, часто в широком диапазоне их разновидностей.
Очевидно, что все эти условия требуют, чтобы станки с ЧПУ проектировались с учетом возможности их разной компоновки, конструкции, состава узлов и механизмов с целью получения требуемых заказчиком технических и технологических характеристик этих станков. Желательно также чтобы станки с ЧПУ имели много единых комплектующих узлов и механизмов и по-возможности аналогичных им с одинаковыми конструктивными решениями в виде отдельных модулей, что позволяло бы производить их централизованно как самими станкостроительными фирмами, так и специализированными. Это позволило бы сократить сроки разработки и стоимость разных типов и модификаций станков с ЧПУ с максимальным учетом требований заказчика, повысить их точность и надежность, облегчить их эксплуатацию и ремонт.
В прошлые годы сделать это было сложно, так как практически каждая станкостроительная фирма самостоятельно разрабатывала компоновку, а также конструкции разных узлов и механизмов, применяемых в станках с ЧПУ. Производимые ранее станки с ЧПУ имели достаточно сложные и разнообразные кинематические структуры их построения. Например, привода главного движения в этих станках строились с разными типами коробок скоростей, с передачей вращения от приводного электродвигателя через клиноременные передачи (одну или две), либо при непосредственном соединении с коробкой скоростей. Также по-разному часто индивидуально компоновались кинематические схемы и конструкции приводов подач, поворотных столов, револьверных головок, разнообразных направляющих и передач ходовой винт-гайка, других узлов и механизмов.
Конечно, в этих станках с ЧПУ уже широко использовались многие покупные детали и узлы общемашиностроительного назначения: электродвигатели, подшипники, муфты общего назначения, элементы гидравлики, пневматики, электрооборудования, ременные, зубчатые, червячные передачи, различные крепежные элементы (болты, винты, гайки, шайбы) и др.
Позднее были разработаны и централизованно выпускались уже специально для станков с ЧПУ: регулируемые электродвигатели для приводов главного движения и подач, дополнительно новые типы подшипников для опор шпинделей и ходовых винтов приводов подач, различные типы измерительных преобразователей для систем обратной связи, муфты, зажимные патроны и др. В последние годы разработаны новые более совершенные типы приводных электродвигателей и особенно мехатронные узлы (мотор-шпиндель, линейные и встраиваемые поворотные электродвигатели). Были отработаны и предложены унифицированные конструкции типовых направляющих качения, передач ходовой винт-гайка с трением качения, револьверные головки и др. Многие унифицированные узлы и механизмы для станков с ЧПУ разрабатывают и изготавливают специализированные фирмы, что позволило начать активно применять модульный принцип построения различных станков с ЧПУ.
Первоначально агрегатно-модульный принцип построения станков стал применяться при конструировании агрегатных станков и автоматических линий из агрегатных станков. В нашей стране в 1934 г. был разработан и внедрен первый агрегатный станок для сверления отверстий в заднем мосту грузового автомобиля. В головном НИИ в области станкостроения — ЭНИМСе была разработана система агрегатирования станков путем их компоновки из взаимозаменяемых, не связанных между собой кинематически функциональных узлов и агрегатов.
В качестве примера на рис. 1 показаны три варианта агрегатных станков, скомпонованных из тринадцати различных узлов.
выквшш; ^©©ниш ©шаджшй
Рис. 1. Агрегатные станки:
а — с тремя головками; б — с одной головкой; в — с двумя головками; 1 — силовой стол; 2 — силовая головка;
3 — изготавливаемая деталь; 4 — вертикальная станина арочного типа; 5 — приспособление; 6 — прямая проставочная плита; 7 — круглая станина; 8 — поворотный делительный стол; 9 — многошпиндельная насадка; 10 — одностороняя станина; 11 — двухстороняя станина; 12 — стойка; 13 — угловая проставочная плита
При всех имеющихся преимуществах данного способа он получил применение только для одной группы станков (агрегатных) для изготовления определенной группы деталей с использованием определенного набора унифицированных узлов. Поэтому при необходимости изготовления другой группы деталей может потребоваться разработка и изготовление новых унифицированных узлов.
Модульный принцип разработки и производства металлорежущих станков с ЧПУ, применяемый в настоящее время, основан на использовании унифицированных или нормализованных функционально и конструктивно законченных узлов и механизмов (модулей), выпускаемых либо станкостроительными фирмами (ограничено для своих моделей станков), либо производимых специализированными фирмами, выпускающими достаточно широкий ряд различных узлов и механизмов для различных типоразмеров станков с ЧПУ.
При применении модульного принципа конструктор, решая задачу разработки станка, выбирает нужные ему узлы и механизмы из каталогов и проектирует самостоятельно только, по сути, базовые узлы станка (станину, колон-
ну, другие корпусные детали). Это похоже на детскую игру «Лего», когда из отдельных модулей собирается желаемая компоновка и конструкция различных изделий.
Имея базовые узлы станка, станкостроительная фирма может, используя необходимые готовые покупные узлы и механизмы, изготавливать гамму различных станков с ЧПУ, каждый из которых в наибольшей степени приспособлен к требованиям заказчика.
В качестве основных положений, характеризующих модульный принцип построения и изготовления станков с ЧПУ, отмечают следующие [1]:
• ограниченная номенклатура модулей должна обеспечивать множество различных компоновок и конструкций станков путем многообразия типов, сочетаний и положений модулей;
• модульный принцип проектирования станков наиболее полно отвечает требованиям решения конкретной технологической задачи (созданные по модульному принципу станки не обладают избыточными функциями, и поэтому они должны быть экономичнее станков с широкоуниверсальными возможностями);
• сокращается время и трудоемкость проектирования станков, поскольку используются выполненные ранее разработки;
• увеличивается надежность работы станка за счет отработанности входящих в нее модулей и наибольшего соответствия данной конструкции модулей выполняемой задаче;
• уменьшается разнообразие конструкций модулей и составляющих их элементов, что улучшает условия эксплуатации и ремонтопригодность;
• возможность создания новых высокопроизводительных станков для выполнения наилучшим образом обработки заготовок, а не подгонка процесса под имеющееся станочное оборудование;
• возможность замены устаревших форм и методов проектирования новых конструкций станков и их систем.
На сегодняшний день можно выделить два способа реализации модульного принципа построения станков с ЧПУ:
1) каждая станкостроительная фирма самостоятельно разрабатывает ограниченную номенклатуру модулей основных узлов выпускаемого типоразмера станка, используя которые затем разрабатываются конкретные модификации по заказу потребителя;
2) станкостроительные фирмы проектируют необходимые модификации станков с ЧПУ на основе применения широкой номенклатуры различных готовых узлов и механизмов (в виде модулей) разрабатываемых и изготавливаемых специализированными фирмами.
Первый способ модульного принципа построения станков с ЧПУ может реализоваться в двух вариантах.
При первом варианте модульного построения станкостроительная фирма разрабатывает базовую модель соответствующего станка с ЧПУ с его полной возможной комплектацией и ограниченным комплектом основных модулей. Например, два или три варианта приводов главного движения, различные варианты револьверных головок и инструментальных магазинов разной емкости, наличие и варианты поворотных столов, наличие и варианты проти-вошпинделей в токарных станках с ЧПУ и др.
Тогда на основе базовой модели за счет дополнительной установки, снятия, замены или изменения взаимного расположения указанных модулей в зависимости от требований заказчика создаются необходимые модификации данного станка.
В качестве примера на рис. 2 показана базовая модель токарного многоцелевого станка с ЧПУ фирмы Schaublin (Швейцария) и возможный ряд модулей для создания различных модификаций данного станка: два варианты привода главного движения 2 и 3, четыре варианта верхних револьверных головок 4, 5, 6 и 7, два варианта противошпинделей 8 и 9, задней бабки 10 и нижней револьверной головки 11.
Аналогичный вариант построения токарных многоцелевых станков серии E применяет фирма Romi (Бразилия), токарных многоцелевых станков мод. ВНЦ 500C и ВНЦ 700С фирма Voest Alpine (Австрия), токарного многоцелевого станка мод. S-191 фирма Bumotec (Швейцария), многоцелевых станков с ЧПУ с вертикальной (серия UX) и горизонтальной (серия HX) компоновкой шпинделя фирмы Quaser (Тайвань), Стерлита-макский станкостроительный завод (Россия) и ряд других.
При втором варианте модульного построения станков с ЧПУ (в частности средних и тяжелых) фирма разрабатывает номенклатуру ог-
4
3
Рис. 2. Базовая компоновка и набор возможных модулей для токарного многоцелевого станка с ЧПУ фирмы 8сЬаиЫт (Швейцария)
[Ш^хэшш викэшш шэс^ржй
раниченного ряда модулей всех узлов и механизмов предлагаемого типа станков с ЧПУ, включая и их базовые узлы. Затем по желанию заказчика комплектуется соответствующая модификация станка с использованием имеющихся модулей.
В качестве такого примера на рис. 3 показан набор модулей фирмы Graffenstaden (Франция) для возможного компонования четырех модификаций многоцелевых станков с ЧПУ с горизонтальной компоновкой шпинделя: I — мод. CU100MK, II — мод. CU200X, III — мод. CU300X и IV — мод. CU300X-S.
По мере увеличения централизованной разработки и изготовления разнообразных унифицированных и нормализованных узлов и механизмов для различных станков с ЧПУ специализированными фирмами более перспективным на наш взгляд становится второй способ реализации модульного принципа построения указанных станков. В этом случае станкостроительная фирма практически разра-
батывает только компоновки предлагаемых станков с ЧПУ и конструкции их базовых деталей и узлов (основания, станину, колонну корпуса отдельных узлов). Необходимые комплектующие узлы и механизмы, определяющие их технические и технологические характеристики, фирма покупает на рынке готовых модулей, исходя из пожеланий и требований заказчика.
В настоящее время существует уже большое количество специализированных фирм разных стран, предлагающих необходимый ряд типоразмеров разнообразных модулей (устройств, узлов, механизмов) для применения в станках с ЧПУ: мотор-шпинделя, револьверные головки, линейные и встраиваемые поворотные электродвигатели приводов подач, направляющие, передачи ходовой винт-гайка в комплекте с опорами, разного типа поворотные столы, устройства ЧПУ, измерительные преобразователи систем обратной связи, гидростанции, инструментальные магазины, инструментальные системы (оправки, резцедержавки, режущие
Рис. 3. Комплект модулей базовых деталей, узлов и механизмов для создания средних и тяжелых станков
с ЧПУ фирмы Graffenstaden (Франция)
Пульт управления / ■ 1 SIEMENS FAN U С
Шариковые винтовые пары ШШГ HIWIN >ZiPMI
Подшипники качения 1 SCHAEFn^GROUl 3
Главный шпиндель-двигатель < SIEMENS FAN U С
Шпиндель L DECKEL MAHO
Зажимное устройство i.V. 'Wxj Wä ^^ЙВОбЙИШЙВ" sod азгхзвиоазашя
Распределительный шкаф Я SIEMENS FANUC
Узлы пневматики в f» ЗМС
Зубчатый ремень/ шкиф _
I
Линейные направляющие Rexroth Bosch Group
Защита направляющих
Шив XI □aw run
Централизованная смазка VCOEL
Устройство смены инструмента / O),
Транспортер стружки г"—1 MM
викэшш ©шеджшй
Приводы с модулем оси и шпинделя SIEMENS
FANUC
Прямые измерительные системы И HEIDENHAIN
Устройство измерения инструмента И HEIDENHAIN BLÜM NOVOTESI
Устройство охлаждения для распределительного шкафа IP)! :
Устройства безопасности pîlz
инструменты), устройства для автоматической смазки, теплообменники для электрошкафов станков с ЧПУ, масленые и водяные охладители, системы подачи СОЖ с распылительными системами, транспортеры для удаления стружки, промышленные светильники и др.
Например, фирма DMG (ФРГ) при рекламе производимых ею станков с ЧПУ модельного ряда CTX ECO и DMC V ECO подчеркивает и показывает в проспектах этих станков возможность их укомплектованности многими покупными высококлассными модулями.
В таблице показан перечень модулей и производимых их специализированных фирм, которые могут использоваться в многоцелевых станках с ЧПУ с вертикальной компоновкой данной фирмы. Это обходится дешевле и быстрее, чем использование самостоятельных разработок, позволяет более гибко реагировать на меняющиеся запросы потребителей.
Отмечается, что станкостроительные фирмы уже соревнуются между собой в количестве и разнообразии создаваемых на единой базе
с ЧПУ, а не в изощренности их специальных исполнений.
В условиях значительного сокращения разработок и изготовления отечественных станков с ЧПУ модульный принцип их построения на наш взгляд может быть одним из эффективных путей подъема отечественного станкостроения.
Литература
1. Аверьянов О.И. Модульный принцип построения станков с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1987. 232 с.
2. Каталоги фирм: Schaublin (Швейцария), Romi (Бразилия), DMG (ФРГ), Voest Alpine (Австрия), Bumotec (Швейцария), Quaser (Тайвань), Graffenstaden (Франция), Стерлитамакский станкостроительный завод (Россия).
References
1. Aver'ianov O.I. Modul'nyiprintsip postroeniia stankov s Ch-PU [The modular principle of CNC machine tools]. Moscow, Machine building publ., 1987. 232 p.
2. Katalogi firm: Schaublin (Shveitsariia), Romi (Braziliia), DMG (FRG), Voest Alpine (Avstraiia), Bumotec (Shveitsariia), Quaser (Taivan'), Graffenstaden (Frantsiia), Sterlitamakskii stankostroitel'nyi zavod (Rossiia) [List: Schaublin (Switzerland), Romi (Brazil), DMG (FRG), Voest Alpine (AUS), Bumotec (Switzerland), Quaser (Taiwan), Graffenstaden (France), Sterlitamak Machine Tool Plant (Russia)].
Статья поступила в редакцию 08.11.2012
модульных компоновок и конструкции станков
Информация об авторе
СТАРОДУБОВ Виктор Семенович (Москва) — кандидат технических наук, доцент кафедры «Металлорежущие станки». МГТУ им. Н.Э. Баумана (Россия, 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, e-mail: utencov@bmstu.ru).
Information about the author
STARODUBOV Viktor Semenovich (Moscow) — Candidate of Engineering Sciences, Assoc. Prof. of «Metal Cutting Machines» Department. MSTU named after N.E. Bauman (BMSTU, building 1, 2-nd Baumanskaya, 5, 105005, Moscow, Russia, e-mail: utencov@bmstu.ru).
