История появления и развития рабочих механизмов и машин
Промышленная революция XVII–XIX вв. совпала с периодом социальных буржуазных революций в мире (1640 г. – Англия, 1775 г. – США, 1789 г. – Франция, 1848 г. – Германия, 1861 г. – Россия) и состояла из трех этапов:
1. Появление рабочих машин в текстильном производстве (ручной ткацкий станок с «самолетным» челноком Кея (1733 г.), прядильная машина Пауля (1785 г.), прялка “Дженни” Харгривса (1764 г.), первый механический ткацкий станок Картрайта (1785 г.), ткацкий станок с программным управлением Жаккара (1800 г.)).
2. Изобретение, развитие и внедрение универсального теплового двигателя (паровая машина Джеймса Уатта с 1764 г.)
3. Создание рабочих машин для производства машин, зарождение машиностроения (изобретение: суппорта, резцедержателя, копировальных и кулачковых систем автоматического управления).
До середины XVIII в. техника изготовления машин даже в развитых странах была в основном ручной, унаследованной еще от ремесленного и мануфактурного производства. Поэтому машин производилось мало (в единичном исполнении или мелкими партиями), правда неплохого качества, но по дорогой цене и с большими затратами времени. Материалообрабатывающее оборудование было очень примитивно и малопроизводительно, оно позволяло только механизировать ручной труд мастеров (рис. 3.1).
Рис.3.1. Схема токарного станка с ножным приводом и ручной подачей резца
Механики и ремесленники того времени задумывались над идеей освободить руку человека от непосредственной реализации энергетического и материального потоков. Одновременно решались и вопросы автоматического управления (т.е. реализация информационного потока). Исторически первыми появились автоматы с программоносителями в виде кулачков и копиров.
Кулачок использовался для приведения в движение рабочих органов машин-автоматов, причем они обеспечивали движение рабочих органов, согласованное в пространстве и времени в соответствии с требуемой последовательностью, задаваемой циклограммой работы машины-автомата. Именно от кулачков и упоров работали все механические автоматы. Задающая информация закладывалась в профиле кулачков. Кулачковые системы одновременно выполняют две функции: силового (исполнительного) механизма и устройства управления. Управление движением перемещаемого органа осуществляется по закону, заложенному в профиле кулачка и воспринимаемом толкателем (рис. 3.2). Благодаря жесткой связи между кулачком и толкателем в механических кулачковых системах возможно осуществление движения по любому закону. Закон движения выбирается в зависимости от требований технологического процесса.
Рис.3.2. Система кулачкового управления
Механические САУ с кулачковыми механизмами и распределительными валами относятся к централизованным разомкнутым СУ. На этом принципе работают, в частности, многие современные расфасовочно-упаковочные автоматы. Теория проектирования таких механизмов совершенствуется и по сей день.
Копиры являются программоносителями для обработки деталей сложной формы. Копиры часто имеют точную форму детали. На этом принципе Андрей КонстантиновичНартов создал в 1718–1729 гг первый в России токарно-копировальный станок (рис. 3.3).
Рис.3.3. Схема токарно-копировального суппорта А. К. Нартова
Однако техника того времени не была готова воспринять эти идеи, да и двигателей необходимой мощности еще не было (движение от водяного колеса было трудно передавать по относительно мелким станкам).
Только в 1794 г. английский механик Генри Модсли (1771–1831) изобрел крестовый суппорт, который оказал революционное воздействие на все машиностроение (рис. 3.4). Рука человека оказалась освобожденной от реализации энергетического потока, многократно повысилось качество обрабатываемых деталей (их чистота и точность). С появлением крестового суппорта стали совершенствоваться все металообрабатывающие станки, применяемые для изготовления машин.
Рис. 3.4. Схема крестового суппорта Генри Модсли
Генри Модсли стал собственником крупного машиностроительного предприятия, на котором в основном изготавливались детали для паровых машин Д. Уатта. На его заводе впервые была применена машинная система производства в форме соединения трансмиссиями большого числа рабочих машин, приводимых в движение универсальным тепловым двигателем. Сам Генри Модсли, будучи обеспеченным человеком, всю жизнь работал наравне с рабочими и учениками, он воспитал много талантливых машиностроителей, дав им техническое образование.
Одновременно с совершенствованием механики станков разрабатывались и принципы автоматического управления технологическими машинами. Так одним из первых был реализован в станках принцип копирования – это механизированное изготовление ряда одинаковых изделий путем копирования заданного эталонного образца. Копиры и кулачки стали основной частью во многих технологических автоматах, где подачи осуществлялись от различных кулачков. Однако прямое (механическое) копирование имело ряд существенных недостатков:
– усилия, необходимые для управления (информационный поток), оказываются равными рабочему усилию (энергетический поток): как следствие этого – износ кулачков, копиров, щупов и потеря необходимой точности изготовляемых деталей;
– сложность изготовления копиров и шаблонов (они должны быть на порядок точнее обрабатываемых по ним деталей);
– низкая дистанционность копировальных и кулачковых механических СУ;
– сложность смены программы (т. е. низкая гибкость и универсальность), которая в данном случае сводилась к смене копиров или кулачков.
В дальнейшем методы копирования были значительно развиты и усовершенствованы. В 1890 г. итальянец Бонтемпи применил для копировального станка схему с гидравлическим управлением. Он использовал принцип серво-действия (усиления), который нашел самое широкое применение для целей управления и автоматизации, а специальные усилители мощности (обязательная часть сервопривода) – электронные, электромеханические, гидравлические, механические – можно встретить в любой современной машине-автомате. В 1923 г. появился копировальный станок Келлера, в котором силовое копирование было впервые заменено управлением с помощью электропривода. Программа формы будущего изделия задавалась, однако, как и раньше аналоговым методом, с помощью копира, который представлял собой точную копию формы готового изделия, но усилие на копир было существенно снижено.
Другой принцип, реализованный в копировальной САУ, – это принцип слежения, сущность которого состоит в том, что исполнительный орган (инструмент) в точности повторял движение управляющего органа (щупа), не будучи с ним непосредственно связанным. Этот принцип также нашел широкое применение в технике. В 1935 г. в СССР был предложен фотокопировальный станок, для которого копиром (образцом) служил уже чертеж детали. Система управления станка была снабжена фотосчитывающим устройством, которое двигалось вдоль линии чертежа.
Первый станок с ЧПУ появился в 1952 г. Однако и электроприводное копирование, и фотокопирование несколько опередили свое время и, несмотря на перспективность, не получили широкого применения.
Наибольшее промышленное распространение получили гидрокопировальные станки, в которых программа движения (траектория) считывалась с копира, а силовое воздействие осуществлял гидропривод. На копир воздействовал щуп с небольшим усилием, что исключало износ копира. Щуп в таких устройствах соединяется с золотником-гидрораспределителем (рис. 3.5).
В гидрокопировальных системах относительные перемещения щупа (Vслед.) вызывают перемещение управляющего золотника, который переключает направление потоков масла. Щуп, контактирующий с копиром, может быть соединен с золотником различным образом: механически, гидравлически или электрически.
 |
Рис. 3.5. Гидрокопировальный фрезерный станок
Литература.
1. История автоматизации технологических процессов: Конспект лекций / В.Г. Хомченко, В.Н. Гудинов . – Омский государственный университет, 2005. – 55 с.
2. Автоматизация производственных процессов в машиностроении: Учебное пособие / Фельдштейн Е.Э., Корниевич М.А. – М.: НИЦ ИНФРА-М, Нов. Знание, 2015. – 264 с.: 60х90 1/16. – (Среднее профессио-нальное образование) ISBN 978-5-16-010531-4
Задание на СРС
Технологические уклады развития станочного парка России.
Основой экономического роста Российской Федерации является развитие высокотехнологичных наукоемких отраслей обрабатывающей промышленности на базе принципиально нового технологического уклада.
По оценке экспертов, в настоящее время, станкостроение, приборостроение и производство высокотехнологичного оборудования России оказались в зоне «некомпенсируемого технологического отставания». Спад производства в высокотехнологичных отраслях оказался намного больше среднего по промышленности. К сожалению, на мировых рынках сегодня высокотехнологичная продукция России занимает 0,3 процента от общего объема, это более чем на два порядка меньше чем в США, на порядок меньше чем в Мексике, втрое меньше, чем на Филиппинах. Для реализации экономического и технологического прорыва необходимо обеспечить полное техническое перевооружение, создание и развитие импортозаменяющих средств машиностроительного производства, которые относятся к технологиям двойного назначения и наиболее востребованы стратегическими организациями станкостроительного, машиностроительного и оборонно-промышленного комплексов (авиастроительного, ракетно-космического, судостроительного и энергомашиностроительного).
Эволюцию развития станочного парка России в механической обработке изделий можно выразить в виде шести технологических укладов (ТУ).
Таблица 1 - Эволюция технологических укладов в механической обработке.
| № | Технологическая генерация | Период | Станок | Приспособление | Управление |
| I | Технологический на базе универсальных станков | До 60-х годов ХХ в | Простые | Простейшие | Человек |
| II | Технологический уклад на базе универсальных и специальных станков, в т.ч. станков с ЧПУ | 60-80 годы ХХ века | Сложные | Простые и сложные механические | Человек + Кинематика |
| III | Технологический уклад на базе станков с ЧПУ и обрабатывающих центров | 80-90 годы XX века | Упрощённые, повышенной точности | Специальные механические | Человек + выч. техника |
| IY | Технологический уклад на базе обрабатывающих центров | С начала 20 г. XXI века | Простые, высокой точности | Специальные и оснащённые ЧПУ | информацио нная система |
| Y | Технологический уклад на базе технологических комплексов и обрабатывающих центров | 20-40 годы ХХI века | Простые, высокой точности и особой надёжности | Специальные модули-станки оснащённые ЧПУ | Интегрирова нная информацио нная система |
| YI | Постиндустриальный технологический уклад на базе системы искусственного интеллекта, интегрированные высокоскоростные транспортные системы. | начиная с 30 г. ХХI века | Простые, высокой точности и особой надёжности | Модульный характер построения станочных комплексов | Безлюдные технологии |
Технологический уклад - комплекс станков, приспособлений, инструментов, измерительных систем, управление комплексом при изготовлении изделия. Первый ТУ имел базу станков, агрегатов с ручным управлением и универсальное назначение. Второй ТУ базируется на универсальных полуавтоматах и автоматах большой производительности, но с малой мобильностью, специализированных автоматах для строго определённой продукции, лишённых мобильности и на агрегатных станках
созданных путём компоновки унифицированных механизмов. Третий ТУ базируется на автоматических линиях из агрегатных станков и машин, или на универсальном оборудовании, обладающим высокой производительностью и возможностью специального оборудования узкого профиля для выпуска массовой однотипной продукции. Четвёртый ТУ, в основе которого находятся станки, машины с числовым программным управлением (ЧПУ), обрабатывающие центры позволяющие автоматизировать производственные процессы с возможностью быстрой перенастройки.
Пятый ТУ – участки и линии гибких автоматизированных производств, технологические комплексы и обрабатывающие центры, обладающие комплексной автоматизацией всех производственных процессов, единой системой управления и гибкой переналадкой на выпуск новых изделий.
Шестой ТУ – безлюдные технологии, использование всего оборудования всех ТУ, и системы управления ЭВМ без применения и ручного и умственного труда при изготовлении изделия.
Передовые предприятия станкостроения России в данный момент находится на четвертом ТУ. Для реализации перехода станкостроения России к новому, пятому ТУ, необходимо осуществить прорыв и перейти от ТУ на базе обрабатывающих центров к ТУ на базе технологических комплексов и обрабатывающих центров и, в дальнейшем, к применению безлюдных технологий. Переход к новым технологическим укладам - единственный выход из сложившейся ситуации в станкостроении и в промышленности России в целом. При переходе к новым ТУ необходимо выполнить обработку крупногабаритных изделий, с высокой точностью и создавать различные принципиально новые многоцелевые обрабатывающие центры. При этом обеспечить: безопасную работу, применение систем управления станком с высоким уровнем интеллекта, использование новых технологий, изготовление заготовок с минимальным припуском, максимальное применение современных элементов, как в механических системах, так и в системах контроля и управления, автоматический контроль состояния и смены инструмента, размеров обрабатываемой детали, систему очистки СОЖ и ее утилизацию, удаление стружки и аэрозолей и т.п.
Повышение точности обработки изделий на многоцелевых обрабатывающих комплексах можно обеспечить двумя путями:
- изменением кинематики станочного комплекса;
- повышением качества инструментальной оснастки.
Кинематика станочного комплекса играет важную роль особенно при обработке и изготовлении крупногабаритных деталей, так как при работе с большими массами возникают значительные маховые (инерционные) моменты, которые могут привести к поломке и выходу из строя самого оборудования. Одним из важных факторов, влияющих на точность изготовления, является жесткость исполнительных органов, в частности жесткость ползуна многоцелевого станочного комплекса серии VM (рис. 3.6), относящегося к VI технологическому укладу.
Рис. 3.6 Многоцелевой станочный комплекс VM 32.
1-привод главного движения; 2-поперечина; 3 – инструментальный магазин; 4-устройство ЧПУ; 5-сверлильно - фрезерный привод; 6- ползун; 7 - портал; 8- суппорт; 9-привод перемещения по координатным осям.
Литература
1. Бережной С.Б. Эволюция станочного парка России / С.Б. Бережной: КубГАУ, №111(07), 2015.