Направления дальнейшего развития станкостроения

Направления развития станкостроения во многом определяются будущими техно­логиями.

1. Высокоскоростная обработка будет реализовываться с помощью высокооборотных мотор-шпинделей, в сочетании с многократно более высоким быстродейст­вием: приводов перемещения узлов (линейных или с использованием шариковинтовой пары с большим шагом), обеспечивающих совместно с новыми компоновками станков (типа Box in Box, с параллельной кинематикой) скорости быстрых ходов уз­лов 60...120 м/мин с ускорениями 0,5g...l,5g; механизмов автоматической смены инструментов, обеспечивающих время и смены от реза до реза 5...2 с и менее и время смены столов-спутников 8...5 с и менее. Все другие вспомогательные действия осу­ществляются с управлением от быстродействующих УЧПУ на базе персональных компьютеров.

В приводе главного движения высокоскоростных станков с Птах>10000об/мин практически невозможно использовать электродвигатель с механической редукци­ей. В связи с этим станки, предназначенные для высокоскоростной обработки, осна­щаются новыми агрегатно-модульными конструкциями шпинделей со специальны­ми опорами (подшипниками) и со встроенными электродвигателями (мотор-шпин­дели). В мотор-шпинделе ротор электродвигателя смонтирован непосредственно на валу шпинделя.

Из-за повышенного тепловыделения в электродвигателе и опорах мотор-шпинде­ли должны иметь систему эффективного охлаждения. Конструкция как самого мо­тор-шпинделя, так и системы охлаждения должна создавать осесимметричное тем­пературное поле, обеспечивая таким образом требуемую точность узла. В настоящее время широко применяют системы принудительного воздушного и жидкого охлаж­дения. Ведут также работы по созданию систем электронного охлаждения, в которых биметаллические блоки, использующие эффект Холла, с помощью электронной си­стемы управления перемещают тепловые потоки к периферийной (внешней) части шпиндельного узла.

В конструкции мотор-шпинделей предусматривают различные устройства, обес­печивающие решение технологических задач: узел крепления инструмента, систему подачи СОТС и др.

2. Лазерная обработка предполагает:

- использование новых твердых YAG- лазеров и газовых СО2-лазеров, имеющих в несколько раз большую (5...6 кВт и выше) мощность;

- повышенные качества луча расходимости;

- использование быстродействующих линейных приводов перемещения узлов, высокоточных измерительных систем;

- автоматизацию вспомогательных процессов с управлением от современных СЧПУ на базе персональных компьютеров, при этом намного увеличивается скорость рез­ки (до 20 м/мин), ускоряются вспомогательные процессы и повышается точность об­работки (до 0,01 на длине 1000 мм).

3. Электрофизические методы обработки предполагают:

- использование генераторов импульсов с намного более высокой частотой (до 100 кГц) и максимальной силой тока (до 600 А);

- применение специальных керамик с малым температурным коэффициентом ли­нейного расширения (~ 5 • 10^-6 К^-1) и высоким удельным сопротивлением (10¹⁴ Ом • см и более);

- использование быстродействующих линейных приводов перемещения узлов, высокоточных измерительных систем;

- автоматизацию вспомогательных процессов с управлением от современных СЧПУ на базе персональных компьютеров.

4. Сверхпрецизионная технология и нанотехнология будут обеспечиваться компо­новкой станков и оснащением лазерными измерительными системами, применени­ем аэро- и гидростатических направляющих, встроенных в станок сенсорных и кон­трольных средств в сочетании с управлением от современных УЧПУ.

5. Создание оборудования для реализации комбинированных методов обработки является одним из основных направлений в дальнейшем развитии станкостроения и представляет собой дальнейший шаг в направлении концентрации операций на стан­ке, выражающейся в сочетании на одном станке разнохарактерных методов обработ­ки: токарной и сверлильно-фрезерно-расточной, сверлильно-фрезерно-расточной и токарно-карусельной, а также комбинации в сочетании со шлифовальной обработ­кой, лазерной обработкой и др., что позволяет существенно сократить длительность
производственного цикла и повысить точность обработки.

6. Информационные технологии в станкостроении содержат блок информации о состоянии элементов станка и процесса обработки на нем и блок информации, ис­пользуемой в процессе создания станка (например, счетчик числа циклов работы ин­струментов), его реализации и обслуживания у потребителя.

Информация первого блока значительно повышает коэффициент технического использования станка, позволяет осуществить адаптивное управление процессом ре­зания, повысить точность обработки, реализовать «безлюдную» технологию. Ин­формация второго блока обеспечивает безбумажную технологию всего жизненного цикла станка, интегрированную систему технологической подготовки производства, внедрение принципа электронной коммерции и др.

7. Новые компоновки металлорежущих станков и их узлов, в частности с исполь­зованием шарнирных штанг, связывающих стол станка со шпинделем, позволяют су­щественно упростить и облегчить конструкцию станка и создать оптимальные усло­вия для скоростной обработки резанием.

8. Мехатронные компоненты в станкостроении сочетают в одной конструкции средства механики, электроники и электротехники: высокоскоростные электро­шпиндели мощностью 10...40 (80) кВт с максимальной частотой вращения 40000 (80000) мин¹; модули линейных перемещений на базе линейных двигателей с макси­мальным усилением до 20 000 Н, скоростью до 150...200 м/мин и ускорением до 5g, поворотные столы диаметром 200...2000 мм, развивающие крутящие моменты 100...2500 Н.м и др. Такие узлы находят широкое применение в новых станках, так как позволяют обеспечить условия высокоскоростной обработки, облегчить и упро­стить кинематику и конструкцию станков, реализовать принцип агрегатно-модульной структуры и тем самым создавать новые виды станков высшего технического уровня с повышением производительности и точности.

9. Системы ЧПУ типа CNC с открытой архитектурой - последние достижения в технике управления, компьютерной технологии и создании высокопроизводитель­ных исполнительных механизмов станков - позволяют реализовать в станках новые способы управления. Примерами новых и перспективных решений в этой области являются интеллектуальные системы ЧПУ с открытой архитектурой. Такие системы отличаются высокой надежностью, удобством обслуживания, возможностью взаи­модействия с Интернетом. Они имеют быстродействующий последовательный ин­терфейс с большим объемом памяти; предусмотрены защита станка от сбоев в пода­че питания, дистанционная система диагностики и др.

Для сокращения затрат на управление всем предприятием все чаще формируют производственные системы из нескольких станков с ЧПУ, которые ранее использо­вались автономно. Это позволяет осуществлять координацию производства, его мо­делирование (с целью управления), а также обеспечивать связь автоматического пла­нирования производства с моделированием; управлять материальными потоками на уровне предприятия; планировать сборочные работы и управлять ими; использовать САПР для разработки изделий.

В такой ситуации приоритетом при выборе станка является совместимость или взаимозаменяемость станков в системе, не только точность или производительность отдельного станка. Ответом на эти требования стала концепция «открытости систе­мы». Она выражается в возможности организации открытого, т.е. способного к са­моразвитию производственного процесса или системы.

10. Агрегатно-модульный принцип построения станков позволяет создавать унифицированные узлы и модули для гамм однотипных станков и способствует их централизованному производству. Появилась тенденция межстаночной унификации на уровне специфических узлов (гидравлических, пневматических, узлов электрообо­рудования и некоторых других).

В результате снижаются требования к квалификации инженера-конструктора, а численность конструкторских служб станкостроительных фирм, например амери­канских, сокращается. Достаточно иметь квалифицированного главного (ведущего) конструктора, разрабатывающего с помощью проблемно-ориентированной CAD/CAE-системы схему общей компоновки станка, чтобы его помощники могли на базе стандартных программ САПР и типовых расчетов, получая информацию из базы данных, проектировать станок, подбирая покупные готовые узлы и детали че­рез Интернет для поставки на завод-изготовитель станка.

Такая комплексная технология позволяет реализовать принцип так называемого параллельного проектирования (concurrent engineering), т.е. одновременного выпол­нения проектных работ и подготовки производства с целью их синхронизации. Стан­костроительный завод при этом становится станкосборочным, а длительность про­ектирования и изготовления станка значительно уменьшается.

11. Существующая быстродействующая вычислительная техника позволила ка­чественно изменить структуру современного станочного оборудования. Во-первых, благодаря высокому быстродействию вычислений появилась возможность управ­лять механизмами, в которых перемещения не совпадают с координатами обрабаты­ваемой детали, а также выполнять с помощью вращательных пар высокоскоростные прямолинейные перемещения. Во-вторых, быстродействующие средства контроля
позволили построить системы оперативной настройки режимов обработки (встраиваемые системы оперативного контроля), получая информацию об обрабатываемой поверхности. В-третьих, появилась возможность применять облегченные механи­ческие конструкции, построенные на основе подвижных стержневых систем. Быст­родействующие средства контроля совместно с системой управления позволяют компенсировать «недостатки» механизма - упругие деформации, управлять конфи­гурацией механизма таким образом, чтобы максимальные силовые воздействия бы­ли ориентированы по направлению максимальной жесткости и др.

Особенно высокие требования предъявляются при обработке поверхностей сложной формы. Данные детали требуют более точного выполнения режимов обра­ботки, контроля износа инструмента в процессе обработки и обеспечения одновре­менно нескольких параметров детали. В частности, для каждой точки поверхности требуется одновременно обеспечивать до шести геометрических параметров, де счи­тая качества поверхности. Для сложных поверхностей, кроме требований к самим координатам, накладываются условия и на их производные. Высокое требование к точности изготовления деталей предопределяет постоянный контроль геометричес­ких параметров станка, размеров звеньев, температурных изменений и других его параметров в процессе функционирования.

В настоящее время о станке можно говорить как о системе с элементами искусст­венного интеллекта. Применение механизмов параллельной структуры дает возмож­ность повышать точность обработки путем установки дополнительных датчиков в свободных шарнирах. Установка в данных шарнирах дополнительных приводов, уп­равляемых по силе, позволяет работать в облегченном режиме основным исполни­тельным приводам, управляемым по положению.

Появилось новое станочное оборудование, получившее название робот-станок, построенное на механизмах параллельной структуры и позволяющее одним и тем же механизмом выполнять транспортные операции и операции обработки. Данные ме­ханизмы расширяют функциональные возможности станочного оборудования. На­личие системы управления, оснащенной элементами искусственного интеллекта, де­лает данное оборудование близким к известному понятию робота при высокой точ­ности выполнения операции обработки.

Совмещение функций особенно актуально для сложных высокоточных операций, когда недопустим перезахват деталей и требуется обработка от одной базы. В данном случае получаем универсальное оборудование, позволяющее выполнять несколько различных технологических операций и для широкой номенклатуры изделий.

Отличительной особенностью робота-станка от обрабатывающего центра являет­ся, во-первых, универсальность в смысле кинематических возможностей перемеще­ния механизма. Из набора роботов-станков можно построить распределенный обра­батывающий центр, управляемый от единой системы управления, в которой все ра­ботающие головки базированы относительно единой системы координат.

В механизмах параллельной структуры имеются кинематические пары, которые выполняют функции преобразования движения и не содержат исполнительных сило­вых элементов. Установка в сочленениях данных пар дополнительных датчиков позво­ляет повысить точность контроля положения выходного звена. Кроме того, установка в этих сочленениях дополнительных приводов, управляемых, к примеру, по силе, раз­гружает основные приводы, выполняющие перемещения по заданным координатам.

Применение встраиваемых оптических средств контроля геометрических разме­ров поверхности и качества ее обработки позволяет оптимизировать режимы ре­зания. Системы распознавания зон с заданным качеством обработки и припуска на обработку позволяют управлять режимами обработки и корректировать траекто­рию движения инструмента. Особенностью станочного оборудования нового поко­ления является применение безредукторных высокомоментных двигателей.

12. Новые прогрессивные материалы в станкостроении - важнейший компонент, определяющий высокую эффективность инновационных станков. Для неподвижных базовых деталей - это так называемый станкометалл и синтегран; для подвижных деталей несущей системы - алюминиево-магниевые сплавы, легированные никелем и скандием; для шпинделей, ходовых винтов и др. - экономнолегированные стали. На станке мод. МК68О103 (ОАО «Московский завод «Красный Пролетарий») стани­на выполнена из полимербетона.

Такое литье изготовляется из гранитной крошки экологически чистых связующих материалов. Предусмотрена защита от контакта со стружкой и СОТС металлически­ми элементами. Преимуществом такой станины является высокая стабильность раз­меров, и главное, демпфирующая способность станины из традиционного чугуна возрастает в 3,5 - 4 раза, что значительно сказывается на снижении шумовых харак­теристик станка.

13. Энергосбережение. Затраты на энергию в станкостроении сравнительно зна­чительны и составляют 3...10% стоимости эксплуатации большинства станков. Эко­номия электроэнергии в современных станках предусматривает:

- повышение КПД главного привода в результате исключения коробок скоростей;

- исключение агрегатов СОТС при «сухой» обработке;

- введение безманипуляторной смены инструментов;

- использование бесколлекторных электродвигателей и цифровых регуляторов;

- применение режимов торможения с рекуперацией энергии в сеть;

- регулирование напряжения и частоты питания асинхронных двигателей в функ­ции нагрузки.

С учетом повышения производительности станков эти мероприятия позволяют экономить до 40...50% удельного электропотребления по сравнению с традиционны­ми станками.

14. Экология и техника безопасности. Для решения этих важнейших в современ­ных условиях проблем в современных станках предусматривается применение гер­метизированной кабинетной защиты с встроенными фильтрами, «сухое» резание, использование только безвредных СОТС, оснащение малошумными комплектующи­ми изделиями, применение развитой системы блокировок.

Станки должны удовлетворять требованиям системы европейских стандартов по экологии и технике безопасности серии EN (от EN292-1 до EN61000).

15. ГПС и автоматические заводы (A3) являются перспективным развитием ком­плексной автоматизации производств (подготовка производства, конструирование, разработка технологий, организация оптимального производства, применение CALS-технологии). Одним из первых был создан завод в Японии фирмой Mazak для произ­водства многоцелевых горизонтальных и вертикальных токарных станков с ЧПУ типа обрабатывающих центров, токарных станков с ЧПУ и другого станочного оборудова­ния. Завод работает 24 часа в сутки. Он создавался путем последовательной автомати­зации производства в течение 20 лет. Была постепенно внедрена робокарная транс­портная система для подачи заготовок и вывоза обработанных деталей в многоярусные склады, совершенствовались станки с ЧПУ, образовывались ГПМ и, наконец, ГПС.

16. Дистанционное управление производством станков позволяет по информационной сети передавать не только текстовую информацию, но и чертежи, таблицы, фотографии и звуковые сигналы. Это способствует удобству работы операторов станков и персонала, управляющего производственным процессом.

17. Сервисная и техническая поддержка через Интернет потребителей оборудо­вания. Через Интернет осуществляется глубокая диагностика каждой единицы обо­рудования и систем ЧПУ. Для этого предприятие-клиент становится на абонентное обслуживание производителя оборудования. Оно получает CD-ROM с рекоменда­циями по обслуживанию соответствующего станка. В этом случае в сервисном цен­тре производителя станков и у клиента любая ситуация одинаково отображается на экране компьютера и может быть организована квалифицированная консультация специалистов.

С помощью Интернета клиент получает информацию о рекомендуемых конструк­циях инструментов и режимах резания. При необходимости фирма подготовляет УП и передает ее клиенту по Интернету, а также редактирует УП, составленные други­ми фирмами, и выдает необходимые рекомендации.

Это постепенно ведет к созданию компьютерно-интегрированных производств станочного оборудования.