Манипулятор на пневмоприводе с датчиком для привязки инструментов на токарных станках с ЧПУ

Содержание

Введение

Глава 1. Программная часть

1.1. Структурная схема управления манипулятором (ПЛК/контроллер), интерфейсы и алгоритм обмена

1.2. Программная реализация цикла автоматической привязки

1.3. Компенсация инерционности пневмопривода и обеспечение повторяемости позиционирования

1.4. Оценка погрешностей измерительной системы и результативности решений (по требованиям/нормам)

Глава 2. Технологическая часть

2.1. Технологичность конструкции и выбор способов изготовления деталей

2.2. Технологический маршрут изготовления ключевых деталей и сборки узлов

2.3. Регулировка, калибровка, требования к эксплуатации и обслуживанию

Глава 3. Экономическое обоснование

3.1. Расчёт себестоимости и структура затрат (пневмопривод vs электропривод)

3.2. Оценка эффекта от снижения простоя станка (производительность, трудозатраты)

3.3. Выводы по экономической целесообразности внедрения

Заключение

Список использованной литературы

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Манипулятор на пневмоприводе с датчиком для привязки инструментов на токарных станках с ЧПУ

Направление: Машиностроение
Специальность: 15.02.10 Мехатроника и мобильная робототехника (по отраслям)

ВВЕДЕНИЕ

Современное машиностроительное производство характеризуется интенсификацией технологических процессов и повышением требований к производительности металлорежущего оборудования. Токарные станки с числовым программным управлением составляют основу парка оборудования предприятий обрабатывающей промышленности России, обеспечивая высокую точность и производительность обработки деталей сложной конфигурации. Однако эффективность использования станков с ЧПУ во многом определяется временем вспомогательных операций, среди которых значительную долю занимает настройка инструмента и определение его геометрических параметров относительно системы координат станка [1, c. 45].

Актуальность разработки манипулятора на пневмоприводе с датчиком для автоматической привязки инструментов обусловлена необходимостью сокращения времени переналадки оборудования и повышения точности установки инструмента. Традиционные методы привязки, основанные на ручном позиционировании измерительных устройств, требуют высокой квалификации оператора и занимают до 15-20 минут на каждый инструмент при многоинструментальной обработке. Автоматизация данного процесса позволяет сократить вспомогательное время до 2-3 минут, повысить повторяемость измерений и снизить влияние человеческого фактора на точность настройки [5, c. 78]. В условиях мелкосерийного и серийного производства, характерных для российского машиностроения, экономический эффект от внедрения автоматизированных систем привязки инструмента становится особенно значимым.

Степень разработанности проблемы в отечественной научной и технической литературе свидетельствует о наличии теоретических основ проектирования мехатронных систем для станочного оборудования. Исследования специалистов МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГТУ «СТАНКИН», ФГБУН «ИМТ РАН» посвящены вопросам создания манипуляционных систем, разработке алгоритмов управления пневматическими приводами и повышению точности позиционирования исполнительных механизмов. Вместе с тем, задача комплексного проектирования пневматического манипулятора с интеграцией в систему управления токарного станка с ЧПУ и обеспечением заданной точности измерений требует дополнительной проработки с учетом специфики компенсации инерционности пневмопривода и обеспечения повторяемости позиционирования.

Целью выпускной квалификационной работы является разработка технического решения манипулятора на пневмоприводе с датчиком для автоматизации процесса привязки инструментов на токарных станках с ЧПУ и повышения эффективности использования оборудования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать структурную схему управления манипулятором с определением интерфейсов и алгоритма обмена данными между программируемым логическим контроллером и системой ЧПУ станка;
• выполнить программную реализацию цикла автоматической привязки инструмента с учетом технологических требований и временных ограничений;
• разработать методы компенсации инерционности пневмопривода для обеспечения заданной повторяемости позиционирования датчика относительно инструмента;
• провести оценку погрешностей измерительной системы и результативности технических решений в соответствии с требованиями нормативных документов;
• определить технологичность конструкции манипулятора и выбрать рациональные способы изготовления деталей с учетом серийности производства;
• выполнить технико-экономическое обоснование разработанного технического решения с оценкой эффективности применения пневмопривода в сравнении с электроприводом.

Объектом исследования является мехатронная система автоматизированной привязки инструментов на токарных станках с ЧПУ модели 16К20Ф3, эксплуатируемых в механическом цехе машиностроительного предприятия.

Предметом исследования выступают конструктивные, программные и технологические решения, обеспечивающие функционирование манипулятора на пневмоприводе и достижение требуемых точностных характеристик измерительной системы.

Методологическая база исследования включает теоретические основы мехатроники и робототехники, методы расчета пневматических систем, теорию автоматического управления, основы программирования промышленных контроллеров в соответствии с ГОСТ Р МЭК 61131-3-2016. Инструментальную основу составляют методы кинематического анализа манипуляционных систем, расчет погрешностей измерительных каналов по ГОСТ 8.009-84, технико-экономический анализ эффективности технических решений. Нормативную базу формируют положения ГОСТ Р 60.0.0.1-2016, ГОСТ 17411-91, ГОСТ Р 56350-2015, ТР ТС 010/2011, а также национальная стратегия развития робототехники в Российской Федерации.

Научная новизна работы заключается в комплексном подходе к проектированию мехатронной системы привязки инструмента, предусматривающем сочетание пневматического привода с интеллектуальной системой управления на базе ПЛК, обеспечивающей компенсацию нелинейных характеристик пневмопривода и достижение повторяемости позиционирования на уровне 0,02 мм.

Теоретическая значимость исследования состоит в систематизации методов проектирования пневматических манипуляторов для станочного оборудования и разработке алгоритмов управления, учитывающих специфику динамических характеристик пневмоприводов. Практическая значимость определяется возможностью непосредственного внедрения разработанного технического решения на машиностроительных предприятиях с парком токарных станков с ЧПУ, что обеспечивает сокращение вспомогательного времени на 75-80% и повышение коэффициента использования оборудования на 8-12%.

Структура выпускной квалификационной работы включает введение, три главы основной части, заключение и список использованной литературы. В первой главе рассматриваются теоретические основы построения систем управления манипуляторам

…