Снижение временных затрат при получении изделий на прутковых автоматах с устройством сортировки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Оригинальна статья / Original article

УДК: 62.503.57; 621.9.08

DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-64-72

СНИЖЕНИЕ ВРЕМЕННЫХ ЗАТРАТ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ИЗДЕЛИЙ НА ПРУТКОВЫХ АВТОМАТАХ С УСТРОЙСТВОМ СОРТИРОВКИ

© М.С. Чепчуров1, Н.А. Табекина2

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 308012, Россия, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

Резюме. Цель. Снижение затрат на получение изделий в технологических системах на базе автоматов продольного точения. Методы. Управление величиной снимаемого припуска путем изменения глубины резания и величины продольной и поперечной подачи по информации о диаметре заготовок, поступающих в систему, и величине износа режущей части инструмента. Результаты. В работе подробно рассмотрен цикл изготовления продукции в технологической системе на базе автомата продольного точения на примере стоматологического бора, на основе которого составлена циклограмма работы технологической системы с учетом контрольно-сортировочной операции. Выполнен анализ технологических параметров, оказывающих влияние на точность получаемого размера и качество обрабатываемой поверхности. Установлено, что предложенная структура управления технологической системой позволяет совместить операции механической обработки и сортировки изделий, при этом контрольно-сортировочное устройство встраивается непосредственно в технологическую систему. В качестве прибора бесконтактного проекционного измерения диаметров рассматривается устройство на основе ПЗС-матрицы, с которого по информации формируются сигналы управления приводами подач. Заключение. В работе доказано, что возможно совмещение в одной технологической системе механической обработки и контрольно-сортировочной операции при наличии системы управления, что позволит уменьшить время производственного цикла получения изделия.

Ключевые слова: циклограмма работы, прутковый автомат, коррекция положения инструмента, технологическая система, система управления.

Формат цитирования: Чепчуров М.С., Табекина Н.А. Снижение временных затрат при получении изделий на прутковых автоматах с устройством сортировки // Вестник ИрГТУ. 2016. № 6 (113). С. 64-72. DOI: 10.21285/18143520-2016-6-64-72

REDUCTION OF TIME EXPENDITURE UNDER PART PRODUCTION BY SWISS-TYPE AUTOMATIC LATHES

WITH SORTING DEVICES

M.S. Chepchurov, N.A. Tabekina

Shukhov Belgorod State Technological University, 46 Kostyukov St., Belgorod, 308012, Russia.

Resume. Purpose. Cost reduction of part production in technological systems based on swiss-type automatic lathes. Methods. Control of the size of removed allowance by changing the depth of cutting and the value of longitudinal and cross feed according to the information on workpiece diameter received by the system and the value of the tool cutting part wear. Results. The article provides a detailed consideration of the product cycle in the technological system based on the swiss-type automatic lathe for the case of a dental bur. On its basis, a cycle diagram of technological system operation has been designed taking into account control and sorting operations. The analysis of technological parameters affecting the accuracy of the received size and quality of the machining surface is performed. It is determined that the proposed structure of technological system control allows to combine machining and sorting of parts, while the control and sorting device is integrated into the technological system. The device based on CCD (change-coupled device) is considered as a non-contact diameter projective measurement device, in accordance with information of which the signals of feed drive control are formed. Conclusion. The article proves the possibility to combine machining and control-sorting operations in a single technological system if the control system is available. This will reduce the time of the part production cycle.

Keywords: operation cycle diagram, swiss-type automatic lathe, tool position compensation, technological system, control system

1

Чепчуров Михаил Сергеевич, доктор технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения, e-mail: avtpost@mail.ru

Chepchurov Mikhail, Doctor of Engineering sciences, Professor of the Department of Mechanical Engineering Technology, e-mail: avtpost@mail.ru

2Табекина Наталья Александровна, аспирант кафедры технологии машиностроения, e-mail: mail-tasha@bk.ru Tabekina Natalia, Postgraduate of the Department of Mechanical Engineering Technology, e-mail: mail-tasha@bk.ru

©

For citation: Chepchurov M.S., Tabekina N.A. Reduction of time expenditure under part production by swiss-type automatic lathes with sorting devices. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 6 (113), pp. 64-72. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-64-72

Введение

Продукция, изготовленная на автоматах продольного точения или прутковых автоматах, имеет высокие требования к точности получаемых поверхностей (диаметров), так как они являются как деталями различных механизмов приборов, так и изделиями, у которых исключаются различные радиальные биения. К таким изделиям можно отнести стоматологические боры3 [1], у которых радиальные биения хвостовика, имеющего значительную величину, просто недопустимы.

Авторы неоднократно описывали технологию изготовления и сортировки стоматологического инструмента [1, 2], оставляя открытым вопрос управления величиной снимаемого припуска при получении поверхности изделия. Ведь отклонения размеров получаемой поверхности требуют необходимости последующей сортировки с целью доводки стоматологического инструмента. Если соблюдать требования по точности получаемых размеров, то процесс сортировки изделий может отпадать, а останется только контроль с целью выявления брака или корректировки положения режущего инструмента.

Анализ технологических параметров, влияющих на точность размера и качество обрабатываемой поверхности

Рассмотрим в качестве примера изделие - бор стоматологический «Факел», представленный на рис. 1 в виде профиля в продольном сечении.

Бор имеет общую длину ^ (все размеры определяются согласно ГОСТ 2663491) с рабочей частью длиной ¡.р и хвостовиком длиной Согласно ГОСТ4 наиболее

3

ГОСТ 26634-91 РФ. Инструменты стоматологические вращающиеся. Хвостовики. Минск: ИПК Изд-во стандартов, 1992. 7 с.

GOST 26634-91 State Standard RF Rotary dental instruments. Shanks. Minsk: IPK Standards Publishers, 1992. 7p.

4 ГОСТ 26634-91 РФ. Инструменты стоматологические вращающиеся. Хвостовики. Минск: ИПК Изд-во стандартов, 1992. 7 с._

высокие требования предъявляются к диаметру D, в то же время радиусы r, R, а также остальные размеры могут быть выполнены по 14-му квалитету. При этом рабочая часть инструмента может удовлетворять условию Dp > D. Для выполнения дальнейшего анализа разобьем профиль на 4 участка. На участке I не требуется соблюдение высокой точности размеров и обеспечения небольшой высоты микронеровностей, то же самое относится и к участкам II и IV. А вот участок III требует выполнения размеров по 7-8-му квалитетам с шероховатостью 6,3 мкм. Обработка заготовки на прутковом автомате выполняется с использованием люнетной втулки согласно схеме, приведенной на рис. 2.

Таким образом, вылет заготовки составляет незначительную величину, которой можно пренебречь при расчете точности получаемой детали. Так как отклонения от оси незначительны, то силы резания не оказывают влияния на полученный диаметр.

Возникает вопрос: что оказывает влияние на качество получаемого изделия, точнее - на окончательный размер хвостовика и его шероховатость? Согласно выражению, полученному В.Л. Чебышевым, основное влияние на шероховатость поверхности, получаемой токарной обработкой, оказывают радиус при вершине режущего инструмента и величина продольной подачи (Эпрод). А на стабильность получаемых диаметров D (рис. 1) оказывает влияние износ режущей части инструмента, который можно контролировать путем прямых измерений, например, во время выстоя при его отводе в момент подачи заготовки, либо косвенным - путем измерения получаемого диаметра. Современные способы контроля [3] позволяют реализовывать оба варианта контроля износа режущего инструмента, а момент замены инструмента можно определить с использованием датчика, измеря-

GOST 26634-91 RF Rotary dental instruments. Shanks. Minsk: IPK Standards Publishers, 1992. 7p._

ющего мощность, затрачиваемую на снятие припуска [4, 5]. При контроле износа режущей части инструмента требуется определение абсолютного размера радиуса при вершине режущей части инструмента с высокой точностью до 1 мкм, что весьма затрудняет использование ПЗС-матриц, выпускаемых в наше время для промышленности, так как требуется размер ее зерна порядка 0,5 мкм [6]. То есть разработка и изготовление контрольного узла, позволяющего оценить износ режущей части инструмента с точностью до 1 мкм, потребует значительных инвестиций, которые сделают нецелесообразным использование подобного контроля. Авторы считают целесообразным остановиться на контроле диа-

метров получаемых изделий, то есть в этом случае для обеспечения контроля размеров (рис. 1) в диапазоне 1,54-1,56 мм достаточно ПЗС-матрицы с размером зерна 5-10 мкм [7] с последующим выполнением коррекции положения режущего инструмента или глубины резания. Таким образом, вопрос расположения контрольного узла получаемого размера решен - на выходе из зоны обработки.

Рассмотрим цикл получения изделия, изображенного на рис. 1:

1) подача прутка;

2) зажим заготовки;

3) включение шпинделя;

4) подвод инструмента в точку начала обработки;

Lx

Lp

IV III II /

/С

Л

V- /

Рис. 1. Профиль стоматологического бора Fig. 1. Dental bur profile

Рис. 2. Схема обработки заготовки стоматологического бора: 1 - люнетная втулка;

2 - цанга; 3 - резец; 4 - заготовка в виде калиброванного прутка Fig. 2. Machining pattern of a dental bur workpiece: 1 - a stay bush; 2 - a collet; 3 - a cutter; 4 - a workpiece in the form of a calibrated bar

m

5) обработка участка I с круговой интерполяцией против часовой стрелки (радиус траектории R);

6) обработка участка II с линейной интерполяцией;

7) перемещение инструмента с рабочей подачей вдоль оси Z на участке III;

8) подвод контршпинделя;

9) перезахват заготовки;

10) обработка участка IV с круговой интерполяцией;

11) отвод контршпинделя;

12) освобождение детали;

13) перемещение инструмента в точку начала обработки.

Итого, 13 пунктов в описании циклограммы обработки. Добавим еще один -14 - измерение диаметра D изделия и коррекцию положения инструмента только на участке III, так как на других в связи с 14 кв. выполняемых размеров эта коррекция не требуется.

Выделим основные узлы технологической системы и составим циклограмму ее работы, представленную на рис. 3.

Согласно рис. 3 время выполнения цикла обработки заготовки составит

п

Тоб = ^ Т1> 1=1

где т - время выполнения /-го шага цикла.

В случае, если выполняется контроль получаемого изделия, циклограмма имеет продолжение для контрольно-сортировочного узла. Условимся [8], что контроль и сортировка деталей выполняются непосредственно в технологической системе получения изделий, а не с использованием отдельного контрольно-сортировочного автомата. Реализация подобной схемы значительно упрощает организацию производственного процесса и снижает затраты на транспортирующие и ориентирующие устройства. Сортировка происходит после выполнения обработки и при этом начинается следующий цикл получения изделия, так как не рационально останавливать автомат, на котором получают изделия, для выполнения контроля и сортировки. Эти процессы можно выполнять и параллельно.

Обозначим через } - номер цикла выполняемого изделия, соответственно

с

тс - время выполнения шага контрольно-сортировочной операции (рис. 4).

Рис. 3. Циклограмма работы технологической системы на базе пруткового автомата Fig.3. Cycle diagram of technological system operation based on a swiss-type automatic lathe

Устройство транспортировки Transporting device

Измерительное дстройство Measuring device

Распределительное~ дстройство Distribution device

Устройство транспортировки Transporting device

Перемещение изделия в зонд сортировки

Movement of . detail m

sorting zone

"Г"

Ориентация _ _изделия_ Orientation of detail

Захват изображения

Image

_captur£ _ 1 jjf_size_

"Расчет размера

Calculation

Передача ванных в СУ автомата провольного

точения Data transfer in control system of swiss-tvpe

automatic lathe

•H

Сортировка Sorting

Перемещение извелия на склад Movement_ot detail m

I warehouse \ J_i.

с

T j+1.1

T 1+1.2

T ¡43

с

T ИА

T J* 1.5

с

T j+16

Рис. 4. Циклограмма контроля и сортировки изделий Fig. 4. Cycle diagram of part control and sorting

Время выполнения контрольно-сортировочной операции

и

=1« i=l

Таким образом, получаем условия максимального времени выполнения контрольно-сортировочной операции

т; > т; + 1,

то есть время выполнения на следующем цикле получения изделия. Из одного прутка возможно получение п-изделий, то есть выполнение п-циклов как механической обработки, так и контроля и сортировки.

При назначении технологических режимов, а именно глубины резания, оказывает влияние не только износ инструмента, но и начальный диаметр заготовки, который необходимо так же контролировать перед началом выполнения цикла. То

есть в устройстве подачи заготовки требуется наличие датчика диаметра, аналогичного датчику в контрольно-сортировочном автомате. В качестве датчика используется устройство, неоднократно описанное авторами статьи5. Общая циклограмма работы технологической системы представлена на рис. 5.

Время получения п деталей из одной заготовки

Т

п=2

Таким образом, при количестве заготовок п можно оценить приблизительное время получения m^n изделий. Доказано, что предлагаемая авторами технологическая система подразумевает изменение цикла получения изделия с учетом износа режущего инструмента и нестабильности диаметров, поступающих в систему после механической обработки заготовок.

с

I

п

5 Пат. № 153620, Российская Федерация. Устройство для бесконтактного измерения малых диаметров / Н.А. Табекина, М.С. Чепчуров, Н.А. Архипова, И.А. Тетерина; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В .Г. Шухова. № 2014149933/28; заявл. 10.12.2014; опубл. 27.07.2015. Бюл. № 21. 2 с.

Tabekina N.A., Chepchurov M.S., Arkhipova N.A., Teterina I.A. A device for non-contact measurement of small diameters. Patent Russian Federation no. 153620, 2015.

Магазин заготовок Workp/ece magazine

Устройство контроля виаметра заготовки Diameter control device Автомат продольного точения Swiss-type automatic lathe

Контрольно-сортировочное устройство Control and sorting device

Подача заготовки

Bar feed

Контроль диаметра i

Control of diameter

Передача данных в СУ автомата^ Data transfer"" I'rTcdnTrof System of swiss-type automatic lathe

Г'

Механическая\

i

i

обработка Machining

Контрольи tсортировка

Control and sorting

L- Г

Рис. 5. Общая циклограмма работы технологической системы Fig. 5. General cycle diagram of technological system operation

Если при допустимом износе инструмента возможна коррекция технологических режимов, то при катастрофическом износе требуется замена инструмента, требующая временных затрат. Используя рекомендации по выбору момента смены инструмента, изложенных в [9], можно заключить, что его смена должна происходить в момент подачи заготовки, но при этом время смены инструмента не должно превышать время подачи заготовки. В слу-

чае недостижимости этого условия авторы рекомендуют использовать автомат смены инструмента (АСИ), в этом случае смену инструмента можно выполнять не только перед началом цикла обработки прутка, но и согласно циклограмме (рис. 3) - в момент закрепления заготовки в приспособлении.

Результаты и их обсуждение

Вышеприведенное позволило составить схему технологической системы, представленную на рис. 6.

Узел (датчик) измерения диаметра Sensor of diameter measurement

Механизм продольной подачи Longitudinal feed mechanism

Механизм поперечной подачи Cross feed mechanism

Магазин

заготодок

Workp/ece

magazine

Подсистема механической одрадотки Subsystem of machining

Контрольно-сортиродочное gcmpoücmöo Contcol and sorting device

Придод продольной подачи Longitudinal feed da ve

АСИ Device of autotool change

Рис. 6. Схема технологической системы на базе пруткового автомата Fig. 6. Flow diagram of the technological system based on the swiss-type automatic lathe

m

Предполагается оснащение всех представленных на рис. 6 узлов собственными управляющими контроллерами, для

чего составим спецификацию передаваемой информации по каждому узлу (рис. 7).

Магазин заготовок

с устройством измерения диаметра Workpiece magazine with device of diameter measurement

Сигнал о подаче заготовки _

Command of workpiece feed

Диаметр заготовки

Подсистема

механической СУ

одрадотки Control

Subsystem system

of machining

Diameter of workpiece

АСИ Device of auf ofooI change Смена инструмента СУ одрадоткой Control system of machining

Change of tool Команда смены инструмента

Command of change of fool

Подсистема механической одрадотки Subsystem of machining

Окончание обработки

Cnd of machining Начало обработки

Beginning of machining

Контршпондель Ькл/выкл Coonter spmdel on/off

Зажим/разжим

Clip/release Режим обработки

Processing mode Заготовка зажата

Workpiece Is clamped Потребляемая мощность

Контрольно-сортиродочное gcmpoücmöo Control and sorting device Диаметр детали СУ Control system

Diameter of detail Команда на измерение

Command for measurement

СУ Control system

Механизм

продольной подачи

Longitudinal feed mechanism Режимы обработки СУ

Control system

Механизм поперечной подачи Processing modes

Cross feed mechanism

Узел шпинделя Spindle

Power consumption Рис. 7. Схема связей между узлами технологической системы Fig. 7. Flow diagram of technological system units

СУ Control system

©

Обмен данных между различными узлами технологической системы авторы рекомендуют проводить по промышленной шине, а при программировании процесса получения изделия следует выполнять программирование каждого узла в соответствии с циклограммами, представленными на рис. 3-5.

Если программирование основных узлов можно описать логикой их работы, то генерация технологических режимов зависит от начальных условий механической обработки диаметра заготовки, ее физических свойств, износа режущей части инструмента. В этом случае требуются предварительные исследования обработки разнообразных материалов с различной режущей частью инструмента. При производстве однотипных изделий из одного и того же материала такие исследования оправданы, но при частой смене номенклатуры они занимают много времени, да и изменения геометрических и физических характеристик заготовок носят стохастический характер. Выход из этой ситуации - использование адаптивной программируемой системы управления оборудованием. То есть, настройка режимов обработки может выполняться по параметрам или ограничениям. В нашем случае этими параметрами являются предельно допустимая шерохо-

Библиогра

1. Табекина Н.А. Требования к контрольно-сортировочному автомату, предназначенному для измерения геометрических параметров (диаметра хвостовиков) стоматологических боров // Грани современной науки: материалы I междунар. науч.-практ. конф., Краснодар, 20 июля 2012 г Сибирская ассоциация консультантов. Краснодар: АНО «ЦСПИ «Премьер», 2012. С. 85-90.

2. Табекина Н.А., Тетерина И.А., Четвериков Б.С. Бесконтактный метод контроля малых размеров и его реализация на примере стоматологического бора // Инновации в науке: мат. X междунар. заочной науч.-практ. конф., Новосибирск, 16 июля 2012 г. Новосибирск: Изд-во Сибирская ассоциация консультантов, 2012. Ч. I. С. 82-88.

3. Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г., Капитанов А.В. Автоматизированные станочные системы, организация эксплуатации металлообрабатывающих инструментов // Межотраслевая информационная служба. 2012. Вып. 4. С. 48-52.

4. Чепчуров М.С. Измерение и регистрация тока в

ватость и допустимая мощность, затрачиваемая на съем припуска, что описано в [6].

Заключение

Таким образом, подводя итог вышеизложенному, авторы доказали, что совмещение в одной технологической системе механической обработки и контрольно-сортировочной операции возможно при наличии системы управления, обеспечивающей регулирование технологического процесса на основе информации о полученном размере, геометрических характеристиках и физическом состоянии заготовок, а также мощности, затрачиваемой на снятие припуска и износ режущего инструмента. Это доказано наличием размерных связей между геометрией заготовок и полученной детали с режимами обработки, а также между геометрией заготовки и режущей частью инструмента с мощностью, затрачиваемой на съем припуска. Раскрытие выявленных связей позволило создать схему комплексной технологической системы, включающую устройство контроля и сортировки и обеспечивающую минимальное время производственного цикла получения изделия в технологических системах на базе автоматов продольного точения.

Работа выполнена в рамках гранта: Проект ПСР № 2011-ПР-146, договор № А-28/15 от 14.04.2015 г.

чий список

цепи привода оборудования // Ремонт, восстановление, модернизация. 2008. Вып. 9. С. 46-48.

5. Чепчуров М.С. Использование АЦП для регистрации и обработки аналогового сигнала в ПК // Ремонт, восстановление, модернизация. 2008. Вып. 5. С. 8-10.

6. Чепчуров М.С., Жуков Е.М., Блудов А.Н. Способы проекционной оценки геометрии объектов в машиностроении и их реализация: монография. Белгород: изд-во БГТУ, 2015. 151 с.

7. Чепчуров М.С., Афанаскова Ю.А. Бесконтакный способ контроля шероховатости поверхности деталей пресс-форм и его реализация // Технология машиностроения. 2009. Вып. 11. С. 15-17.

8. Тимирязев В.А., Вороненко В.П., Схиртлад-зе А.Г. Основы технологии машиностроения: учеб. пособие. СПб: Изд-во «Лань», 2012. 442 а

9. Новиков В.Ю., Ильянков А.И. Технология машиностроения: учеб. пособие: в 2 ч.; 2-е изд., перераб. М.: Изд-во «Академия», 2012. Ч. 1. 352 с.

References

1. Tabekina N.A. Trebovaniya k kontrol'no-sortirovochnomu avtomatu, prednaznachennomu dlya izmereniya geometricheskikh parametrov (diametra khvostovikov) stomatologicheskikh borov [Requirements for a control-sorting machine designed for measuring geometric parameters (shank diameter) of dental burs]. Materialy I mezhdunar. nauch.-prakt. konf. "Grani sovremennoi nauki" [Materials of I International Scientific and Practical Conference „Boundaries of Modern Science"]. Krasnodar, ANO "TsSPI Prem'er" Publ., 2012, pp. 85-90.

2. Tabekina N.A., Teterina I.A., Chetverikov B.S. Beskontaktnyi metod kontrolya malykh razmerov i ego realizatsiya na primere stomatologicheskogo bora [Non-contact method of small size product control and its implementation on the example of a dental bur]. Ma-terialy X mezhdunar. zaochnoi nauch.-prakt. konf. "In-novatsii v nauke" [Materials of X International Correspondent Scientific and Practical Conference "Innovation in Science"]. Novosibirsk, Izd-vo "Sibirskaya as-sotsiatsiya konsul'tantov" Publ., 2012, part 1, pp. 82-88.

3. Solomentsev Yu.M., Mitrofanov V.G., Kapita-nov A.V. Avtomatizirovannye stanochnye sistemy, or-ganizatsiya ekspluatatsii metalloobrabatyvayushchikh instrumentov [Automated machining systems, organization of metal-processing tools operation]. Mezhotraslevaya informatsionnaya sluzhba - Intersec-toral information service, 2012, issue 4, pp. 48-52.

4. Chepchurov M.S. Izmerenie i pegistpatsiya toka v

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Статья поступила 24.03.2016 г.

tsepi privoda obopudovaniya [Current measurement and registration in the machine drive circuit]. Remont, vosstanovlenie, modernizatsiya - Repair, Reconstruction, Modernization, 2008, issue 9, pp. 46-48.

5. Chepchurov M.S. Ispol'zovanie ATsP dlya regis-tratsii i obrabotki analogovogo signala v PK [ADC use for analog signal recording and processing by PC]. Remont, vosstanovlenie, modernizatsiya - Repair, Reconstruction, Modernization, 2008, issue 5, pp. 8-10.

6. Chepchurov M.S., Zhukov E.M., Bludov A.N. Sposoby proektsionnoi otsenki geometrii ob"ektov v mashinostroenii i ikh realizatsiya [Methods for evaluating the projection geometry of objects in engineering and their implementation]. Belgorod, izd-vo BGTU Publ., 2015, 151 p.

7. Chepchurov M.S., Afanaskova Yu.A. Beskontaknyi sposob kontrolya sherokhovatosti poverkhnosti detalei press-form i ego realizatsiya [Non-contact method for mold part surface roughness control and its implementation]. Tekhnologiya mashinostroeniya - Mechanical Engineering Technology, 2009, issue 11, pp. 15-17.

8. Timiryazev V.A., Voronenko V.P., Skhirtladze A.G. Osnovy tekhnologii mashinostroeniya [Foundations of Mechanical Engineering Technology]. Saint-Peterburg, Izd-vo "Lan" Publ., 2012, 442 p.

9. Novikov V.Yu., Il'yankov A.I. Tekhnologiya mashinostroeniya [Mechanical Engineering Technology]. Moscow, Izd-vo "Akademiya" Publ., 2012, part 1, 352 p.

Conflict of interest

The authors declare no conflict of interest.

The article was received 24 March 2016