Определены основные требования, предъявляемые к выполнению курсовой работы. Даны указания по проектированию и расчету автоматической линии для условий массового производства.
Составители: В.В. Польченко, доц.
А.Л. Ищенко, доц.
Ответственный за выпуск А.Н. Михайлов, проф.
Рецензенты:
ã Донецкий национальный технический университет, 2017
Автоматизация современных производств является одним из важнейших путей повышения производительности труда и экономической эффективности производства. Любые новые неавтоматизированные технологические процессы и оборудование на современном этапе развития промышленности должны рассматриваться как частное, вынужденное решение, когда в конкретных условиях производства еще не созрели технические и экономические предпосылки для его автоматизации. При современном уровне научно-технического прогресса основной формой производства становится комплексно-автоматизированное и высокомеханизированное производство.
Целью курсовой работы является разработка автоматической системы машин для изготовления конкретной детали на уровне технического проекта.
1. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
Заданием на курсовую работу является чертеж детали, выбираемый из следующих наименований: валы ступенчатые, шестерни, втулки, крышки, штуцера, крепежные детали, пластины, призматические детали и тому подобное. Чертеж детали студенты заочной формы обучения могут выбирать на производстве по месту своей работы с последующим утверждением руководителем курсовой работы или из банка данных кафедры. Студентам дневной формы обучения задание выдается руководителем работы.
2. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Курсовая работа состоит из двух частей: расчетно-пояснительной записки и графической части.
Расчетно-пояснительная записка объемом 20¸25 листов формата А4 должна содержать все необходимые технические и технико-экономические расчеты, на основании которых принимались решения при проектировании системы технологического оборудования.
Расчетно-пояснительная записка должна иметь следующую структуру: титульный лист, реферат, содержание, задание на курсовую работу, чертеж детали, для технологического процесса изготовления которой ведется проектирование средств автоматизации; основная часть, включающая все этапы решения задачи; выводы; список использованных источников; приложения.
Графическая часть курсовой работы представляет собой компоновочный чертеж автоматической системы технологического оборудования и чертеж целевого механизма автоматической системы.
Графическая часть выполняется на уровне технического проекта, т. е. чертежи должны давать полное представление об устройстве и конструктивных особенностях спроектированной автоматической системы технологического оборудования и целевого механизма. Чертежи общих видов должны содержать исходные данные для выполнения по ним рабочей документации.
3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА
Основой автоматизации является технологический процесс изготовления детали или сборки узла (изделия), главными задачами которого является получение изделия нужного качества в необходимом количестве и при минимальной себестоимости.
Перед разработкой технологического процесса необходимо провести анализ технологичности, установить способ получения заготовки: прокат (штучная заготовка или пруток), отливка, штамповка. В случае использования отливки или штамповки в пояснительной записке приводится эскиз заготовки.
При разработке технологического процесса изготовления детали придерживаются всех известных правил и принципов, используемых в неавтоматизированном производстве. Маршрутное описание технологического процесса должно содержать для каждой операции перечень переходов, наименование оборудования, приспособлений, режущего и мерительного инструментов, технологических баз.
Разработанный технологический процесс анализируется с точки зрения возможности и эффективности реализации его на многопозиционных машинах или автоматических линиях. Как правило, любой технологический процесс может быть автоматизирован, но иногда целесообразно подвергнуть автоматизации только часть технологического процесса. Автоматизируется часть технологического процесса, который разделяется операцией связанной с перемещением заготовки с автоматической линии (например, термическая обработка) или с операцией имеющей длительность выполнения значительно большую нежели все остальные операции техпроцесса (например, зубообработка, шлицефрезерная операция). Так же имеется ряд операций, которые трудно подвергаются реализации в автоматической линии (протяжные, шлифовальные).
Для операций выбранных для автоматизации, назначают режимы резания и определяется основное (машинное) время выполнения переходов. При этом используются общемашиностроительные нормативы для технического нормирования работ на металлорежущих станках. Результаты выбора режимов резания и расчета основного времени сводится в табл. 3.1.
Таблица 3.1 – Режимы резания и нормы времени.
№
п/п
Содержание перехода
Режущий
инструмент
Режимы резания
D
мм
L
мм
toi
мин
t, мм
S, мм/об
Sm, мм/мин
V, м/мин
n,
об/
мин
Подрезать
торец 1
Резец подрезной Т15К6
1,5
0,30
25,5
0,09
Подрезать
торец 2
1,5
0,30
25,5
0,09
Сверлить отверстие 3
Сверло Æ24 Р6М5
0,24
0,25
….
Продолжение табл. 3.1
итого
В графу «Содержание перехода» из маршрутно-операционного технологического процесса записываются все переходы операций, выбранных для реализации на многопозиционной машине или автоматической линии.
В графе D проставляется: при наружном точении, шлифовании – диаметр заготовки; при растачивании, внутреннем шлифовании – диаметр обработанной поверхности; при обработке сверлом, зенкером, разверткой – диаметр инструмента; при фрезеровании – диаметр фрезы; при протягивании – длина протяжки; при шлифовании на станке с круглым столом – диаметр расположения деталей на станке.
В графе L проставляется длина обработки с учетом величины врезания и перебега инструмента.
Разработка технологического процесса изготовления деталей – задача многовариантная. Критерием оценки варианта принимаем технологическую производительность, которая определяется по формуле:
, мин-1,
где i – i-ый переход технологического процесса таблицы 3.1;
n – количество переходов.
Технологическая производительность является первой оценкой автоматизированной системы машин до разработки ее конструкции и основанием для расчета оптимальной дифференциации и концентрации операций в многопозиционной машине или автоматической линии.
При реализации технологического процесса на однопозиционных машинах автоматически выполняются только рабочие составные операции. Холостые операции (или часть их) выполняет оператор (станочник) вручную с использованием средств механизации. Задача разработчика автоматической системы машин заключается в автоматизации холостых операций, которые выявляются, используя разработанный технологический процесс для неавтоматизированного производства. К таким операциям относятся действия, связанные с ориентацией заготовок в пространстве, подачей их в зону обработки, установкой в приспособление, фиксацией, установкой и закреплением инструментов в исходное положение и т. д.
Результаты выбора холостых операций оформляются в виде таблицы 3.2.
Таблица 3.2 – Перечень холостых операций, которые необходимо автоматизировать в многопозиционной машине или автоматической линии.
№ п/п
Наименование рабочей операции
Наименование холостой операции, обеспечивающей выполнение рабочей операции
5. Раскрепить заготовку
6. Удалить заготовку из рабочей зоны.
7. Ориентировать заготовку
8. Подать заготовку в рабочую зону.
9. Закрепить заготовку.
Сверлить отверстие 3
10. Установить сверло.
11. Подвести заднюю бабку.
12. Отвести заднюю бабку.
13. Раскрепить заготовку.
14. Удалить заготовку из рабочей зоны.
15. Транспортировать заготовку.
4. РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Разработка структуры системы технологического оборудования производится на основании списка рабочих (табл. 3.1) и холостых (табл. 3.2) операций.
4.1 Выбор механизмов рабочих и холостых операц
При разработке многопозиционных машин и автоматических линий могут быть использованы унифицированные, нормализованные, оригинальные или специальные механизмы для выполнения рабочих и холостых операций. На данном этапе проектирования для выбора механизмов можно воспользоваться литературой [1-6].
Для повышения надежности системы технологического оборудования необходимо стремиться к минимально возможному числу механизмов. Это возможно, если один и тот же механизм будет выполнять комплекс операций, например, подачу и удаление заготовки из рабочей зоны; транспортирование и изменение ориентации заготовки и т.п.
Результаты выбора механизмов рабочих и холостых операций оформляются в виде списка с указанием числа одинаковых механизмов. Список рабочих и холостых механизмов необходим для определения времени внецикловых потерь.
4.2 Определение времени внецикловых потерь
Внецикловые потери являются случайными величинами и оказывают существенное влияние на основную характеристику системы технологического оборудования – производительность.
При определении основных параметров многопозиционной машины или автоматической линии необходимо знать величину внецикловых потерь по оборудованию и инструменту (tn):
tn= ,
где - суммарные потери по оборудованию, - суммарные потери по инструменту.
На этапе проектирования многопозиционной машины или автоматической линии точное определение внецикловых потерь затруднительно. Поэтому используются нормативные данные, полученные опытным путем на основании анализа работы реальных автоматических линий (табл. 4.1). Расчет потерь по оборудованию производят по формуле:
= ,
где tno – средняя длительность простоев, приходящихся на 100 минут работы механизма, мин.; - суммарное время работы j-ых механизмов рабочих или холостых ходов по всем переходам технологического процесса, мин.
Таблица 4.1 – Нормативные потери механизмов рабочих и холостых ходов [7].
№ п/п
Наименование механизмов
Средняя длительность простоев, приходящаяся на 100 мин работы tno, мин.
Несамодействующая гидравлическая силовая головка (без шпиндельной коробки) с гидроприводом
0,25
Силовая головка для сверления глубоких отверстий
0,32
Подрезно-расточная головка с планшайбой
0,35
Пинольная подрезно-расточная головка
0,42
Пинольная силовая головка с приводом подачи от кулачка
0,21
Силовой стол с гидроприводом
0,24
Шпиндельные узлы
Сверлильно-расточная шпиндельная коробка с числом шпинделей:
До 25
0,03
Свыше 25
0,05
Сверлильно-резьбонарезная коробка с числом шпинделей:
До 15
0,06
Свыше 15
0,10
Стационарная резьбонарезная установка с числом шпинделей:
До 15
0,07
Свыше 15
0,12
Фрезерная бабка с ременным приводом вращения шпинделя
0,04
Узел поперечных суппортов
0,06
Узел продольных суппортов
0,07
Одношпиндельная расточная бабка с ременным приводом вращения шпинделя
0,12
Шпиндельный блок с механизмом зажима
0,05
Шпиндельный блок с механизмом зажима и числом шпинделей до 4-х
0,17
Транспортер деталей:
Ленточный с храповыми собачками
0,06+0,06l
С круглыми штангами и храповыми собачками
0,12+0,06l
С круглыми штангами и жесткими штырями
0,12+0,2l
Толкатель
0,02
Поворотный стол
0,10
Подъемно-поворотный стол
0,13
Кантователь для поворота деталей вокруг двух осей
0,12
Контрольные устройства
Щупы для контроля наличия отверстий и их глубины:
На отдельной позиции
0,20
На шпиндельной коробке
0,10
Приспособления
Механизмы фиксации:
напрямую
0,01
Через рычажную систему или клин
0,03
Кондукторные втулки
0,005q
Приспособление-спутник:
Без зажимного устройства
0,01
С простым зажимным устройством
0,03
Со сложным зажимным устройством
0,05
Загрузочное приспособление
0,50
Гидравлическое оборудование участка линии
0,17+0,06b
Электрооборудование:
Фрезерного участка линии
0,50
Других участков линии
1,43
Централизованная система подачи СОЖ
0,08n
l - длина транспортера; q - число кондукторных втулок; b - число распределительных гидроаппаратов; n - число станков.
Результаты расчетов потерь по оборудованию сводят в таблицу 4.2
Таблица 4.2 – Расчет потерь по оборудованию.
№ п/п
Наименование механизмов
tno, мин на 100 мин работы
, мин.
, мин.
Шпиндельный блок с механизмом фиксации с приводом вращения.
0,17
1,14
0,002
Узел поперечных суппортов
0,06
0,86
0,00052
Узел продольных суппортов
0,07
0,28
0,00019
Итого
Для токарных многошпиндельных автоматов потери времени по оборудованию можно определить по приближенной зависимости:
где - общая длительность выполнения рабочих операций, предназначенных для выполнения на многошпиндельном токарном автомате.
Зная технологическую производительность и внецикловые потери по оборудованию, определяют оптимальное число позиций структуры системы технологического оборудования (оптимальную степень дифференциации технологического процесса) q по формуле [1]:
,
Вторая составляющая внецикловых потерь (потери времени из-за выхода из строя режущих инструментов) определяются по формуле:
= (tз+tс),
где – машинное время выполнения составной операции, мин;
Т – период стойкости инструмента, мин.;
tз– время, необходимое на замену инструмента при его износе, мин;
tс – средняя длительность простоев из-за случайных неполадок и поломок инструмента, приходящаяся на период стойкости.
Значения tз, tс для различных видов инструмента приведены в таблице 4.3 при условии предварительной наладки осевых инструментов по длине на специальных приборах, вне пределов автоматической линии.
Таблица 4.3 – Нормативные данные по составляющим времени потерь по инструменту [7].
Инструмент
tз, мин.
tс, мин.
Спиральное сверло малого диаметра или с большим (более 5) отношением длины к диаметру.
1,0
0,18
Спиральное сверло среднего размера
1,0
0,12
Метчик диаметром до 8 мм
1,0
0,30
Метчик диаметром 8¸25
1,0
0,27
Зенкер, цековка
1,0
0,18
Развертка
1,5
0,18
Черновой резец в борштанге
1,5
0,20
Чистовой резец в борштанге
3,0
0,18
Торцовая фреза диаметром 100 мм.
5,0
0,12
7,0
0,12
10,0
0,12
12,0
0,12
Оправка с набором фрез
12,0
0,8
При принудительной смене режущие инструменты разбивают на группы с одинаковым расчетным периодом стойкости. В этом случае вместо Т принимают Тг (групповая стойкость), а tз уменьшается в 2 раза по сравнению с значениями, приведенными в табл. 4.3.
При применении многоинструментальных наладок время, необходимое на замену инструмента при его износе tз, должно быть увеличено против значений, приведенных в таблице 4.3, на 20% на каждый дополнительный инструмент в наладке. Так для наладки из трех чистовых резцов tз=3,0+0,2*3*2=4,2 мин. Результаты расчета потерь времени по инструменту сводятся в таблицу 4.4.
Таблица 4.4 – Расчет потерь времени по инструменту.
№ п/п
Инструмент
to, мин
T, мин
tз+tс, мин
Cp, мин
Резец упорный проходной j=90 Т15К6
0,24
1,7
0,0081
Резец подрезной Т15К6
0,10
1,7
0,0034
Итого
5.РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Приняв за основу ранее разработанный технологический процесс и используя принципы дифференциации и концентрации операций, составляется технологический процесс для автоматизированного производства, в котором число не совмещенных операций должно стремиться к оптимальному числу позиций q.
При выборе реального числа позиций следует учитывать, во-первых, характер технологического процесса и конструктивные соображения, не позволяющие выбирать число позиций меньше определенного числа qmin, так как в каждой позиции может совершаться, как правило, лишь один ход механизма и инструмента за рабочий цикл; во-вторых, всегда существует и максимально возможное количество рабочих позиций qmах, определяемое невозможностью дифференцирования таких операций, как чистовая расточка, нарезание резьбы и другие. Диапазон qmin< q< qmах определяет возможность варьирования числом рабочих позиций.
На каждую позицию автоматической линии разрабатывается карта наладки с указанием режущего инструмента в конечном положении (кроме осевого), размеров, получаемых на этой позиции, шероховатости обработанных поверхностей и движений формообразования.
Новый технологический процесс для автоматизированного производства оформляется в виде таблицы 5.1 с уточненными режимами резания, которые учитывают использование многоинструментальных наладок, комбинированного режущего инструмента.
Таблица 5.1 – Структура технологического процесса в автоматизированном производстве при совмещении операций.
№ п/п
Наименование инструментальных переходов по позициям автоматической линии.
Sоб,
мм/об
Sмин,
мм/мин
n,
об/мин
V,
м/мин
L,
м
Рабочее время выполнения перехода, мин.
Сверлить отверстие 3, точить торец 1.
Точить поверхности 6, 13, 12 предварительно.
Точить поверхности 13, 12 окончательно.
0,40
Точить поверхность 7, 5, 8 и фаску, подрезать торец 2.
0,30
Уточняется технологическая производительность ko.
Число позиций структуры системы технологического оборудования определяется перечнем несовмещенных операций.
6. ВЫБОР КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ
АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ
На основании результатов расчета оптимального числа позиций и табл. 5.1 выбирается структурная схема для проектирования автоматической линии (многопозиционной машины) [1,6].
На основании совмещенных технологических переходов, выполненных в разделе 5, осуществляется компоновка станков, входящих в автоматическую линию. Станки в автоматической линии должны соответствовать массовому типу производства (специальные и специализированные).
Критерием выбора межагрегатной (жесткая межагрегатная связь – предмет обработки передается между станками без пролеживания; гибкая межагрегатная связь - предмет обработки передается со станка на станок через промежуточные накопители) связи между станками в автоматической линии являются:
- баланс производительности между станками в линии;
- надежностные показатели станков.
В курсовой работе рекомендуется в качестве критерия определения межагрегатной связи использовать баланс производительности. Так как основное время обработки на станке эквивалентно его производительности, то необходимо сравнивать основные максимальные времена работы i-го и (i+1) станков. Если изменение основных времен соседних станков составляет 10% и более, то связь между этой парой станков гибкая, то необходимо между станками устанавливать накопитель. Если изменение основных времен соседних станков составляет менее 10%, то связь между этой парой станков жесткая и заготовка передается между этими станками без пролеживания. Накопители разделяют автоматическую линию на участки.
Вычерчивается компоновочная и структурная схемы механизмов агрегатного станка, автоматической линии и приводятся карты наладок для каждой позиции автоматической линии.
Составляется таблица аналогичная таблице 3.2 в которой указывается с помощью какого механизма осуществляется реализация холостого хода.
Таблица 6.2 – Перечень холостых операций, которые автоматизированы в многопозиционной машине или автоматической линии.
№ п/п
Наименование рабочей операции
Наименование холостой операции, обеспечивающей выполнение рабочей операции
Бункерное загрузочное устройство
Манипулятор
Зажимное приспособление станка
Лоток-скат
7. РАЗРАБОТКА ЦИКЛОГРАММЫ РАБОТЫ
АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ
Циклограмма работы автоматической линии как графическое изображение последовательности работы механизмов строится на основании расчета цикла работы машин:
Тц=toimax+ ,
где Тц – время цикла.toimax – основное время наиболее длительной операции; - суммарная длительность не совмещенных холостых операций.
Холостые ходы являются цикловыми потерями времени, так как они происходят в процессе работы, и определяются на данном этапе проектирования по следующей зависимости:
txx=0,3*tomax
где tomax – время выполнения наиболее длительной из несовмещенных рабочих операций.
Используя карты наладок, перечень и функции основных механизмов, строят циклограмму автоматической линии, в которой отражается последовательность срабатывания механизмов.
Одним из важных критериев оптимальности конструкции автоматической линии является критерий максимума производительности. Обобщенной зависимостью, определяющей производительность автоматической системы, определяется по зависимости:
; (шт/смену)
где kзагр – коэффициент загрузки линии (kзагр =0,85¸0,90); р – число параллельных потоков обработки (р=1,2,3…); q - число позиций линии; tomax - время выполнения наиболее длительной из несовмещенных рабочих операций; txx - время холостых ходов, - уточненные суммарные потери по оборудованию для реальной автоматической линии; - уточненные суммарные потери по инструменту для реальной автоматической линии; nу – количество участков в линии; W – коэффициент возрастания простоев лимитирующего участка вследствие неполной компенсации потерь накопителями, определяется по данным, приведенным ниже.
nу
W
1,0
1,10
1,15
1,18
1,20
1,22
Определение суммарных потерь по оборудованию для структуры системы технологического оборудования выполняется на основе корректировки списка необходимых механизмов и систем для реализации технологического процесса. Результаты корректировки вносятся в таблицу 8.1.
Таблица 8.1 – Уточнение потери времени по оборудовани
№ п/п
Наименование механизмов
tno, мин на 100 мин работы
tpj, мин.
tei, мин.
Шпиндельный блок с механизмом фиксации с приводом вращения.
0,17
0,7
0,0012
Узел поперечных суппортов
0,06
0,7
0,00042
Узел продольных суппортов
0,07
0,7
0,00049
Итого
Автоматические линии с жесткой связью при выбранном числе позиций q конструктивно наиболее просты, имеют минимальную стоимость. Такие линии предусматривают одинаковое или кратное время выполнения операций на отдельных станках (синхронизацию операций), что в некоторых случаях обеспечить затруднительно. Кроме этого автоматические линии с жесткой связью имеют минимальную производительность и надежность в работе, так как отказ любого механизма или инструмента приводит к отказу и простою всей линии.
9. РАЗРАБОТКА ЦЕЛЕВОГО МЕХАНИЗМА.
В соответствии с заданием (указанием руководителя курсовой работы) выбирается конструкция и подробно описывается работа целевого механизма [2,3,5,7-10].
Для механизмов ориентации, загрузки и питателей необходимо провести расчет сечений лотков, карманчиков и других конструктивных элементов.
Для загрузочных устройств произвести расчет их производительности и согласовать полученное значение с производительностью спроектированного автомата или агрегатного станка.
Чертеж целевого механизма выполняется на стандартном формате и должен удовлетворять требованиям, предъявляемым к сборочным чертежам, выполняемым на стадии технического проекта.
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шаумян Г. А. Комплексная автоматизация производственных процессов. – М.: Машиностроение, 1973. – 639 с.
2. Малов А. Н., Иванов Д. В. Основы автоматики и автоматизация производственных процессов. – М.: Машиностроение, 1974. – 368 с.
3. Дащенко А. И., Белоусов А.П. Проектирование автоматических линий. – М.: Высш. шк.,1983. – 328 с.
4. Кузнецов М. М., Волчкевич Л. И. Автоматизация производственных процессов. – М.: Высш. шк. 1978. – 431 с.
5. Кузнецов М. М. И др. Проектирование автоматизированного производственного оборудования: Учебн. пособие для вузов/ Кузнецов М. М., Усов Б. А., Стародубов В. С. – М.: Машиностроение, 1987. – 288 с.
6. Автоматизация процессов машиностроения: Учебн. пособие для машиностр. спец. вузов/Я. Буда, В. Гаповски, В. С. Вихман и др.; Под ред.А. И. Дащенко. – М.: Высш.шк. 1991. – 480 с.
7. Наладка и эксплуатация агрегатных станков и автоматических линий. Справочное пособие. Под ред. Гольдина И. А. – Л.: Машиностроение, 1974. – 464 с.
8. Латышев Н.В. и др. Агрегатные станки в машиностроении. – Харьков: 1975. – 185с.
9. Бобров В.П. Проектирование загрузочно-танспортных устройств к станкам и автоматическим линиям. – М.: Машиностроение, 1964. – 289с.
10. Автоматическая загрузка технологических машин. Справочник. Под ред. И.А. Клусова. – М.: Машиностроение. 1990. – 400с.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Задание на курсовую работу………………………………………………… 4
2. Структура и объем курсовой работы………………………………………. .4
, мин-1,
,
- суммарные потери по оборудованию, 
- суммарные потери по инструменту.
,
- суммарное время работы j-ых механизмов рабочих или холостых ходов по всем переходам технологического процесса, мин.
, мин.
- общая длительность выполнения рабочих операций, предназначенных для выполнения на многошпиндельном токарном автомате.
,
определяются по формуле:
(tз+tс),
– машинное время выполнения составной операции, мин;
,
; (шт/смену)
- уточненные суммарные потери по оборудованию для реальной автоматической линии; 
- уточненные суммарные потери по инструменту для реальной автоматической линии; nу – количество участков в линии; W – коэффициент возрастания простоев лимитирующего участка вследствие неполной компенсации потерь накопителями, определяется по данным, приведенным ниже.