Введение
Основной задачей современного машиностроения является создание высокопроизводительных и экономически выгодных технологий изготовления деталей. Для этого применяют типовые и групповые методы обработки деталей, новое оборудования, что способствует снижению их материале- и энергоемкости, внедрению малоотходных и безотходных технологических процессов, уменьшению трудоемкости изготовления продукции за счет широкого внедрения различных средств автоматизации и механизации, в том числе робототехники.
Технологический процесс в машиностроении характеризуется не только улучшением конструкции изделия, но и непрерывным совершенствованием технологии производства. В настоящее время важно, при минимальных затратах и в заданные сроки, изготовить изделие, применив современное высокопроизводительной оборудование, технологическую оснастку, средства механизации и автоматизации производственных процессов. От принятой технологии производства во многом зависит долговечность и надежность выпускаемых изделий, а также затраты при их эксплуатации.
Одним из основных направлений повышения эффективности производства является его автоматизация. Основной путь автоматизации механической обработки в серийном производстве – применение станков с числовым программным управлением. Известно, что такая автоматизация в значительной степени сокращает штучное время, улучшает условия труда, способствует использованию многостаночного обслуживания. Развитие новых процессов на базе использования станков с ЧПУ, роботов, гибких производственных систем и вычислительной техники способствует созданию более совершенных машин, снижению их себестоимости и уменьшению затрат на изготовление. Кроме того, применение автоматизированных транспортно-складских систем (АТСС), автоматизированных систем инструментального обеспечения (АСИО) и систем удаления отходов позволяет повысить эффективность и производительность производственного процесса и одновременно свести к минимуму долю низко квалифицированного ручного труда. Целью данной контрольной работы является проектирование ГАЛ обработки корпуса. В результате решаются задачи по выбору и определению состава основного технологического оборудования, выбору системы и расчету характеристик АТСС и АСИО, планировка схемы ГАЛ.
Задание
1. Годовой объем выпуска деталей в ГПС NS=21400 шт.
2. Сведения о детали-представителе:
• Годовой объем выпуска N=800 шт.
• Габаритные размеры детали: 100´100×150 мм
• Масса детали m=3,7 кг
• Масса заготовки mз
=6 кг
• Деталь изготавливается в условиях среднесерийного производства
• Маршрут обработки:
| № операции | Наименование операции | Тш-к, мин | |
| 005 | Фрезерная | 4,2 | |
| 010 | Комбинированная | 22,3 | |
| 015 | Комбинированная | ||
| 020 | Слесарная | ||
| 025 | Моечная | ||
| 030 | Контрольная | ||
1.
Сущность и структура гибкого автоматизированного механизма
Гибкая автоматизированная линия (ГАЛ) – это гибкая производственная система, состоящая из нескольких единиц технологического оборудования, объединенных автоматизированной системой управления, оснащенных единым устройством загрузки и транспортирования заготовок, в которой технологическое оборудование расположено в принятой последовательности технологических операций. Поскольку технологическое оборудование ГАЛ расположено в строгой очередности, определяемой маршрутом обработки, то ГАЛ отличаются невысокой гибкостью и переналаживаемостью, что обуславливает ограничение номенклатуры изделий, изготавливаемых на линии. Ввиду этого ГАЛ ориентированы в основном на групповую обработку. Гибкость ГАЛ определяется типом используемого оборудования.
Оборудование ГАЛ может располагаться как в последовательном порядке (в одну линию), так и параллельном (в несколько рядов) и в параллельно-последовательном. В нашем случае использовано последовательное (линейное) расположение станков. Станки обращены лицевой стороной к складу. Возле каждого станка располагается накопительная станция, на которой устанавливается тара с заготовками или готовыми изделиями. На фрезерной (005) и совмещенной комбинированной (010,015) операций для автоматизированной загрузки-разгрузки станков применяются приспособления – спутники, что целесообразно при обработке корпусных деталей. Особенностью ГАЛ является последовательное перемещение заготовок от одной единицы технологического оборудования к другой в соответствии с маршрутной технологией. Поэтому детали перемещаются транспортными устройствами от станка к станку по мере изготовления партии деталей.
Для транспортирования применяют краны-штабелеры, либо другие транспортные устройства.
2.
Структура основного технологического оборудования
Основное технологическое оборудование в ГАП должно удовлетворять ряду требований:
• Высокий уровень автоматизации основных и вспомогательных операций
• Возможность быстрой автоматизированной переналадки при смене объектов производства
• Широкие технологические возможности, способствующие реализации принципов концентрации и комплексности производственного цикла.
• Обеспечение необходимой производительности и качества изготовления изделий.
Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет оборудование с ЧПУ, на основе которого и построена проектируемая ГАЛ.
В соответствие с вышеизложенными положениями принимаем следующие модели технологического оборудования:
– Для фрезерной операции (005) применяем сверлильно-фрезерно-расточный станок 400Vс прямоугольным столом и вертикальным шпинделем, размер рабочей поверхности 400*900 мм, габаритные размеры 2400*2200*2640, масса 4700 кг, емкость инструментального магазина – 20 позиций;
– Для комбинированной операции (010. 015) применяем станок с расширенными технологическими возможностями – сверлильно-фрезерно-расточный 500HS с поворотным столом и горизонтальным шпинделем, размер рабочей поверхности – 630*630 мм либо Ф500 мм, габаритные размеры 4300*2850*3200, масса 8000 кг, емкость инструментального магазина – 20 или 40 позиций.
Расчет количества станков
Количество станков-дублеров на операции определяют по зависимости:
где – средний такт выпуска деталей;
ТШТ-
Ki
– станкоемкость обработки детали на I-й операции.
где F – эффективный годовой фонд работы оборудования (для трехсменной работы на станках с ЧПУ принимается равным 5835 ч);
åNj
–
суммарный годовой объем выпуска деталей на линии (Nå
).
Определим средний такт выпуска деталей:
= 5835/21400=0,27 ч=16,36 мин.
Определим расчетное количество станков на каждой операции SPi
и принятое количество SП
i
, определяемое путем округления расчетного количества увеличением до целого числа, а также коэффициент загрузки оборудования hi
, определяемый отношением расчетного значения количества станков к принятому количеству.
1) Для станка 400V(005 операция): SP
1
=4,2/16,36=0,26
Sn1
=1, h1
=0,26/1=0,26;
2) Для станка 500HS(010, 015 операции): SP
2
=22,3/16,36=1,36,
Sn2
=2, h2
=1,36/2=0,68.
Итого: 3 станка.
Помимо вышеперечисленного оборудования в состав ГАЛ входит: моечно-сушильный аппарат МСА-031 с габаритными размерами 4830x3375*2865 мм; координатно-измерительная машина с габаритными размерами 1365x1082х2185 мм.
Межстаночное расстояние принимаем равным 1300 мм, тогда с учетом габаритов станков получаем длину линии:
Lл
= 2400+2*4300+4830+1365+4*1300 = 22395 мм = 22 м 395 мм.
3. Сущность автоматизированных транспортно-складских систем
Автоматизированная складская система (АТСС) – система взаимосвязанных автоматизированных транспортных и складских устройств для укладки, хранения, временного накопления и доставки предметов труда, технологической оснастки.
По характеру организации потоков заготовок и деталей АТСС можно подразделить на:
– АТСС с единой системой складирования и транспортирования
– АТСС с раздельными подсистемами складирования и транспортирования
Разнообразие компоновочных решении АТСС определяется, главным образом, реализацией транспортных потоков и может быть сведено к четырем типам:
1. АТСС с краном-штабелером и совмещенными подсистемами складирования и транспортирования;
2. АТСС с рельсовым транспортом и раздельными подсистемами складирования и транспортирования;
3. АТСС с робокарами и раздельными подсистемами складирования и транспортирования;
4. АТСС с конвейерами, причем подсистемы складирования и транспортирования могут существовать как в совмещенном, так и в раздельном вариантах.
Выбор типа АТСС производится в соответствии с алгоритмом, представленном блок-схемой в учебном пособии /8/.
Учитывая характер проектируемой ГПС, выбираем АТСС с единой системой складирования и транспортирования.
Основной расчетной характеристикой склада является его емкость, которая определяется через число наименований (Кнаим
) деталеустановок, изготавливаемых в ГПС в течение месяца:
Кнаим
=
где FCT
– месячный фонд времени работы станка, ч;
S– число станков в ГПС;
Тср
– средняя станкоемкость изготовления одной деталеустановки, мин;
Nмес
– месячный объем выпуска детали-представителя;
FCT
=F*h3
/12,
где, h3
– нормативный коэффициент загрузки оборудования, h3
=0,8;
F– эффективный годовой фонд времени работы оборудования, при трехсменной работе F=5835 ч. (станки с ЧПУ)
Fст
=5835×0,8/12=389 ч.
Nмес
=800/12=67 шт.
,
где, Тci
– станкоемкость изготовления детали-представителя на I-й операции;
m– число операций технологического процесса,
Тср
=(4,2+22,3)/2=13,25 мин.
Кнаим
=
Полученное число определяет минимальное число ячеек склада при условии, что для каждой деталеустановки используется только один стол-спутник с приспособлением. Для нормальной работы ГПС необходимо, чтобы емкость склада имел некоторый запас (около 10%), тогда оптимальная емкость склада будет равна:
Ес
=1,1 * Кнаим
= 1,1*78,87 = 86,76 = 87 ячеек.
Более удобно иметь несколько спутников на одну деталь-установку, чтобы уменьшить время пролеживания заготовок на складе.
Определим ориентировочную длительность цикла изготовления детали при маршруте:
ПЗРСтеллажСт1 (Оп.005)Ст2 (Оп. 010,015)МСАКИМСтеллаж ПЗР
где, ПЗР – позиция загрузки-разгрузки детали в приспособлении-спутнике;
Ст – станок;
МСА – моечно-сушильный агрегат;
КИМ – координатно-измерительная машина).
Принимаем:
Время загрузки-разгрузки детали в приспособлении – спутнике – 3 мин.
Время транспортирования – 1 мин.
Время контрольной операции – 6 мин., время моечной операции – 3 мин.
Тц
= 7*1 мин +2*3 мин +1*3 мин + 6 мин + 4,2 мин +22,3 мин = 48,5 мин.
Тогда при такте выпуска 16,36 мин потребуется 48,5/16,36 = 3 спутника.
Емкость склада равна 87 ячеек* 3 спутника = 261 ячейка.
С учетом размеров спутника выбираем склад с краном-штабелером модели СА-ТСС – 0,16 с ячейкой 600*400*250 мм (по табл. 1.4 /8/), который обладает следующими характеристиками:
грузоподъемность – 160
высота стеллажа – 4000 мм,
скорость передвижения крана-штабелера – 1,00 м/с
скорость выдвижения грузозахватного органа – 0,25 м/с.
Располагая склад вдоль станков и принимая его однорядным, рассчитаем число ярусов и высоту склада. Если принять длину склада равной длине линии, то на длине 22,395 м разместится 22395/600=37 ячеек.
Тогда высота склада составит 261/37=7 рядов.
Полная высота склада: 7*250+450=2200 мм., что не превышает предельной высоты обслуживания по технической характеристике крана-штабелера.
Расчет количества позиций загрузки-разгрузки спутников
Определим время загрузки-разгрузки приспособления спутника. Время загрузки-разгрузки приспособления-спутника принимаем для схемы базирования детали на столе с креплением четырьмя болтами и планками /1, стр. 246/.
τ з-р = 3,0 мин.
n поз = τ з-р*Кдет/(F поз*60)
Кдет = 21400*3/12 = 5350
Тогда,
Fпоз.= Fр*Ксм/12 = 1820*3/12 = 455 ч
где, Fр – эффективный годовой фонд времени работы рабочих;
К см – количество рабочих смен в сутках.
nпоз = 3*5350/(60*455) = 0,59 = 1
Расчет количества транспортных устройств и их загрузки
Количество транспортных устройств АТСС определяется временем их работы:
Ктр
=Ттр
/Fтр
,
где, Ттр
– суммарное время работы транспортного устройства в течение месяца, ч;
Fтр
– месячный фонд работы транспортного устройства, ч (381 ч для 3-х сменного режима работы).
Для крана-штабелера:
где, Тстел-ст
, Тст-ст
, Тпоз-стел
– время перемещения от стеллажа к станку, от станка к станку и от позиции загрузки к стеллажу соответственно;
Кстел-ст, Кст-ст, Кпоз-стел – количество соответствующих перемещений.
Количество и характер перемещений крана-штабелера определим по циклу его работы:
ПЗРСтеллажСт1 (Оп.005)МСАСтеллажПЗРСтеллажСт2 (Оп. 010,015)Ст3 (Оп. 010,015)МСАКИМСтеллаж ПЗР
где, ПЗР – позиция загрузки-разгрузки детали в приспособлении-спутнике;
Ст – станок;
МСА – моечно-сушильный агрегат;
КИМ – координатно-измерительная машина).
Из приведенного выше маршрута прохождения заготовки через ПЗР, станки, МСА и КИМ:
«Позиция – стеллаж» – 4 перемещения;
«Стеллаж – станок» – 4 перемещения;
«Станок – станок» – 4 перемещения.
Тогда, при месячном выпуске 1784 шт. (21400/12 = 1784 шт.):
К поз-стел = 7136;
К стел–ст = 7136;
К ст-ст = 7136.
Рассчитаем время перемещений. Длины перемещений найдем графоаналитическим путем (со схемы, построенной в определенном масштабе).
| l=3.45 м |
| l=6.8 м |
| l=16.115 м |
| l=9.315 м |
| l=3.45 м |
| l=3.45 м |
| l=2.15 м |
| l=3.45 м |
| l=11.465 м |
| l=5.865 м |
| l=4.3975 м |
| l=13.7125 м |
| l=3.45 м |
Средняя длина перемещений:
«Стеллаж-позиция»:
l=3.45 м
«Стеллаж-станок»:
l=м
«Станок-станок»:
l=м
Средняя длина вертикального перемещения: 2200–450 = 1,75 м
В общем случае Т=2*(Тк+Тпод+ Тсп), где Тк – время передачи кадра управляющей программы от ЭВМ к системе ЧПУ транспортного устройства, принимаем Тк=0,02 мин; Тпол – время подхода транспортного устройства к заданному месту, мин; Тсп – время съема-установки стола-спутника, тары или заготовки, принимаем Тсп =0,15 мин.
Время подхода КШ равно:
где, L и V– перемещения и скорости по соответствующим координатам. Скорости определяются по технической характеристике крана-штабелёра (уч. пособие, с. 14).
Тпод поз-стел
= 3.45 / 60+1,75 / 12=0,2 мин;
Тпод ст-ст
=7.09 / 60 +0/12 =0.12 мин;
Тпод стел-ст
=9.46 / 60+1,75 / 12=0,3 мин;
Принимая Тк
=0,02 мин., Тсп
=0,15 мин получим
Т поз-стел
=2·(0,02+0,2+0,15)=0,74 мин;
Т ст-ст
=2·(0,02+0.12+0,15)=0,58 мин;
Т стел-ст
=2·(0,02+0,3+0,15)=0,94 мин;
Подставляя найденные значения в формулу получим время загрузки КШ:
Ткш
=(7136·0,74+7136·0,58+7136·0,94) / 60=268,79 ч
Тогда коэффициент загрузки крана-штабелера составит:
Ккш
=268,79 / 381=0,71
На основании найденного значения коэффициента загрузки крана-штабелера делаем вывод о целесообразности выбора АТСС 1 типа.
4. Автоматизированные системы инструментального обеспечения
Автоматизированная система инструментального обеспечения – система взаимосвязанных элементов, включающая участки подготовки инструмента, его транспортирования, накопления, устройства смены и контроля качества инструмента, обеспечивающие подготовку, хранение, автоматическую смену и замену инструмента.
Все разнообразие компоновочных схем АСИО можно свести к 6 типам:
Тип 1 – АСИО с запасом инструментальных комплектов, размещенных в инструментальных магазинах станков ГПС;
Тип 2.1 – АСИО с автоматизированным складом (накопителем) инструментальных комплектов при каждом станке ГПС;
Тип 2.2. 1 – АСИО с совмещенными подсистемами складирования и транспортирования инструментальных комплектов;
Тип 2.3 – АСИО, объединенная с АТСС;
Тип 3 – АСИО со сменными инструментальными магазинами.
Блок-схема алгоритма выбора типа АСИО представлена в /8/.
При выборе типа АСИО определяющим является суммарное количество, необходимых для обработки месячной нормы деталеустановок:
Кин=Кнаим (К1+КД),
где, Кнаим – число наименований деталеустановок;
К1 – число инструментов для обработки одной деталеустановки;
КД – число инструментов-дублеров на одну деталеустановку. Дублеры необходимы для инструментов с малой стойкостью (сверла, особенно малого диаметра). В расчетах можно принимать КД=2–3.
,
где, Тср – средняя станкоемкость обработки одной деталеустановки;
Тин – среднее время работы одного инструмента;
kS-число типоразмеров инструментов, требуемых для полной обработки детали-представителя;
m – число операций технологического процесса изготовления детали-представителя.
Из технологического процесса находим kS=25, m =2.
К1=25/2 =12,5; Кд=2, Кнаим=78,87 (из расчета АТСС).
Кин=78,87·(3+2)=1143,615
Поскольку инструменты, входящие в АСИО хранятся не только на цен тральном инструментальном складе, но и в магазинах станков, то емкость ЦИС определяется как
Еис=Кин -Еmci,
где Еmci – емкость инструментального магазина i-го станка ГПС.
Габаритные размеры инструментального склада определяются в зависимости от найденной емкости и размеров ячейки (шага) t=120… 200 мм.
Еmci =60, Еис =1143,615 – 60 = 1083,615
t принимаем равным 140 мм. Тогда при расположении инструментального склада в один ярус получаем Lгал/t =22395/140=159,96 = 160 ячеек, принимаем одноярусное расположение ячеек склада. Приняв высоту ячейки 500 мм и расстояние от нижнего яруса до пола цеха 450 мм, находим высоту склада:
Hис=500+450=950 мм.
Расчет загрузки транспорта АСИО
В АСИО смена инструментов осуществляется роботами-операторами (РО), работа которых во многом напоминает работу штабелеров. Для расчета количества роботов-операторов (коэффициента их загрузки) необходимо знать суммарное время их работы:
Кро=Тро/Fpo,
где Тро – суммарное время работы робота-оператора в течение месяца, ч;
Fpo – месячный фонд времени работы робота-оператора, ч.
В свою очередь суммарное время работы робота-оператора будет зависеть от типа системы инструментообеспечения.
Для расчета загрузки РО на складе примем, что инструмент, необходимый для доставки находится в центре склада. Считаем, что инструмент доставляется к станку без очередности их загрузки и без учета инструментальной емкости магазинов-накопителей при станках.
Среднее перемещение робота-оператора на инструментальном складе: Lcp(ис)=0.5 Lис = 22,395*0,5 = 11.2 м
Среднее перемещение робота-оператора при доставке инструмента к инструментальному магазину станка (определяется графоаналитическим методом по схеме):
Lср (им) = (6,8+2,15+3,45)/ 3=4,13 м.
Определим основные расчетные характеристики робота-оператора, характеризующие его работу в линии.
Твв=6Тк+4Tпод+2Тпов+3 (Тв+Тп)+Тчк;
Тсм=4Тк+3Tпод+2 (Тв+Тп)+Тпов,
где Твв – время ввода-вывода одного инструмента;
Тк – время передачи управляющей команды от ЭВМ к роботу-оператору;
TПОД – среднее время подхода робота-оператора к заданному гнезду;
Тв – время выполнения роботом-оператором перехода «взять инструмент»;
Тп – время выполнения роботом-оператором перехода «поставить инструмент»;
Тсм – время смены одного инструмента;
Тпов – время поворота захвата на 180°.
Тк=0,02 мин; Тчк=0,1 мин;
Тв=Тп=0,2 мин; Тпов=0.04 мин.
Время, необходимое для осуществления тех или иных действий робота-оператора определяется исходя из совершаемых перемещении и скоростей этих перемещений.
Vх=60 м/мин; Vy=15 м/мин.
Принимаем, = 0,8 м. = LCP(им)= 4,13 м
Исходя из найденных перемещений по известным значениям скоростей перемещения, найдем время подвода робота-оператора к заданной точке инструментального склада или инструментального магазина:
Тпод(ис)=11,2/60+0,8/15=0,24 мин
Тпод(им)=4,13/60+0,8/15=0,12 мин
Твв=6·0,02+4·0,24+2·0,04+3·0,4+0,1=2,46 мин
Тсм=4·0,02+3·0,12+2·0,4+0,04=1,28 мин
Найдем коэффициент загрузки робота-оператора:
Рассчитаем суммарный коэффициент загрузки кранов-штабелеров и робота-оператора:
К=Ккш+Кро=0,71+0,19=0,9
На основании значения суммарного коэффициента загрузки делаем вывод, что в нашем случае имеем общий для всех станков инструментальный склад. Функции складирования, транспортирования и смены инструмента осуществляет робот-оператор.
Библиографический список
1. Обработка металлов резанием: Справочник технолога. /Под ред. А.А. Панова. – М.: Машиностроение, 1988. – 736 с.
2. Роботизированные технологические комплексы и гибкие производственные системы в машиностроении: Альбом схем и чертежей: Учеб. пособие для вузов /Под ред. Ю.И. Соломенцева. – М.: Машиностроение, 1989. – 846 с.
3. Справочник технолога-машиностроения: В 2-х т. Т. 1. /Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. – М.: Машиностроение, 1985. – 656 с.
4. Справочник технолога-машиностроения: В 2-х т. Т. 2. /Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. – М.: Машиностроение, 1987. – 496 с.
5. Технологические основы ГПС. /Под ред. Ю.С. Соломенцева. – М.:Машиностроение, 1991. – 240 с.
6. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: Справочник. – М.: Машиностроение, 1988.-392 с.
7. Кузнецов М.М. и др. Автоматизация производственных процессов /Под ред. Г.А. Шаумяна. – М.: Высш. шк., 1978. – 431 с.
8. Моисеев Ю.И., Катюк В.А. Классификация и выбор систем складирования, транспортирования и инструментального обеспечения гибких автоматизированных производств: Учеб. пособие. – Курган: Изд-во КМИ, 1993. – 58 с.
9. Моисеев Ю.И. Технологическое проектирование гибких производственных систем в машиностроении: Учеб. пособие. – Курган: Изд-во КМИ, 1996. – 87 с.