Особенности существующих технологических линий по резке металла

Дуговой электрической резкой называется процесс образования полости реза в металле под действием тепла электрического дугового разряда.При разделительной резке конец электрода перемещают в полости реза от верхних кромок к нижним и обратно, направляя дугу на его лобовую стенку. При поверхностной резке наклоненный под углом 5-20 градусов электрод перемещают вдоль линии реза, частично погружая его конец в образующуюся полость. Интенсивность выплавления возрастает с увеличением тока.

Воздушно-дуговой резкой называется процесс образования полости реза в металле совместным действием тепла электрической дуги и потока сжатого воздуха. Воздушно-дуговая резка используется преимущественно для поверхностной обработки и реже как разделительная.

Воздушно-дуговая резка применима к углеродистым и легированным сталям, цветным металлам и чугуну. При этом используются графитовые, графито-угольные и омедненные электроды.

Кислородно-дуговой резкой называется процесс образования полости реза в металле совместным действием тепла электрической дуги и струи кислорода. Практический интерес представляют способы резки трубчатым электродом и стальным стержневым электродом с отдельным соплом.

Используются преимущественно для разделительной резки.

Газокислородная резка основана на способности железа сгорать в струе кислорода с выделением значительного количества тепла по реакции:

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄+Q

Для начала горения металла в кислороде нужно подогреть металл до температуры 1000…1200^оС, для чего в зону резки подают смесь кислорода с горючим газом, при горении которой образуется подогревающее пламя. Режущий кислород зажигает металл, при этом выделяется значительное количество тепла. Если перемещать резак с определенной скоростью, то сжигание и выплавление металла будет происходить по линии перемещения сопла резака, производя разрезание металла.

Таким образом, кислородная резка складывается из нескольких процессов:

- подогрева металла,

- сжигания металла в струе кислорода,

- выдувания металла и его окислов из полости реза.

Основные условия получения качественного реза состоят в следующем:

1) температура начала горения должна быть ниже температуры его плавления;

2) температура плавления оксидов, образующихся при резке, должна быть ниже температуры плавления металла;

3) теплота сгорания металла должна быть достаточно высокой;

4) теплопроводность металла должна быть низкой.

Практически указанным условиям удовлетворяет большинство мало-, среднеуглеродистых и низколегированных сталей. В то же время чугун, медь, алюминий, высокоуглеродистые и высоколегированные стали кислородной резкой не режутся. Для их резки используется так называемая кислородно-флюсовая резка, когда в струю режущего кислорода подают различные порошки (в основном железные), которые, сгорая в струе кислорода, дают дополнительную тепловую энергию, достаточную для расплавления тугоплавких окислов легирующих элементов.

Рис.26 Глубина проплавления металла дугой: а – «свободной»; б – в струе газа; в – проникающей плазменной.

Сущность воздушно плазменной обработки.

При плазменной сварке и резке в качестве источника нагрева используется электрическая дуга с неплавящимся электродом, столб которой принудительно обжат с целью повышения концентрации его тепловой энергии на обрабатываемом изделии. Основным инструментом при плазменной сварке является плазмотрон.

Процесс плазменной обработки основан на использовании воздушно-плазменной дуги постоянного тока прямого действия (электрод - катод, обрабатываемый металл - анод).

Для возбуждения рабочей дуги между электродом и металлом, первоначально, с помощью блока поджига дуги (осциллятора), зажигается вспомогательная дуга междуэлектродам и соплом плазмотрона, которая выдувается из сопла в виде плазменного факела длиной 20 т 30 мм. Ток вспомогательной дуги 25 А, время горения - не более 5 сек. При касании факела вспомогательной дуги обрабатываемого (разрезаемого) металла возникает рабочая дуга между электродом и металлом, вспомогательная дуга при этом автоматически гаснет.

Технологическая линия по плазменной резке

В состав ГАУ плазменной резки (рис. 6.1) входят: ГАЛ маркирова­ния деталей; ГАЛ разметки и плазменной вырезки деталей; причем коли­чество линий и единиц оборудования в каждой линии может быть различ­ным и зависит от производственной программы участка.

Гибкая автоматизированная линия маркирования деталей включает в себя одну или несколько маркировочных машин с ЧПУ, роликовый кон­вейер для транспортирования листов, один (как приведено на схеме) или два робота-перегружателя, что зависит от планировки участка.

Гибкая автоматизированная линия разметки и плазменной вырезки де­талей состоит из одной или нескольких разметочно-плазморежущих ма­шин с ЧПУ, роликового конвейера с раскроечными рамами для транспор­тирования листов и деталей, робота-перегружателя листов на входе линии (один такой робот может обслуживать как предыдущую, так и данную линии) и робота-перегружателя деталей.

Каждая ГАЛ, таким образом, состоит из основного оборудования и вспомогательного транспортного оборудования, причем к последнему относятся также роботы-перегружатели.

Гибкий автоматизированный участок плазменной резки оснащается средствами вычислительной техники и путевой автоматики, датчиками раз­личного назначения на технологическом и транспортном оборудовании, что обеспечивает автоматизированную работу всех видов оборудования, а так­же его диагностику и контроль.

Рациональной структурой системы управления ГАУ плазменной рез­ки (в сфере производства) является двухуровневая система, при которой в состав средств вычислительной техники могут входить (рис. 6.2):

на верхнем уровне — управляющий вычислительный комплекс (УВК) типа СМ-4 с дополнительными периферийными устройствами, состав кото­рых зависит от организации работ на участке, в том числе решения некото­рых задач ТПП;

на нижнем уровне — устройства числового программного управления (УЧПУ) на базе микроЭВМ, например микроЭВМ «Электроника-60»;

радиальный интерфейс между мини-ЭВМ типа СМ-4 и микроЭВМ, вхо­дящей в состав УЧПУ.

Гибкий автоматизированный участок обслуживается одним УВК ти­па СМ. Количество УЧПУ соответствует общему количеству маркировоч­ных и разметочно-плазморежушйх машин на участке; причем каждое УЧПУ связано с машиной посредством блока сопряжения (в него входят усилители, реле для приема технологических команд, стабилизатор на­пряжения).

Управляющий вычислительный комплекс (УВК) имеет также интер­фейс с системами управления роботами-перегружателями листов и дета­лей, а также с датчиками напольных транспортных линий.

Основные средства вычислительной техники (СВТ) целесообразно раз­местить в помещении центрального пульта управления участком.

Рис. 6-І. Схема ГАУ тепловой вырезки листов деталей:

1— робот— перегружатель листов; 2— конвейер роликовый ГАЛ резки; 3—конвейер роликовый подачи листов с линии очистки; 4 — кон­вейер цепной; 5 — конвейер роликовый ГАЛ маркирования; 6 — рама раскроечная с листом; 7 —машина маркировочная с УЧПУ; 8-машина разметочно-плазморежущая с УЧПУ; 9 — стол для поднятия раскроечной рамы в зону резки; 10 — робот — перегружатель деталей; 11— конвейер ленточный для мелких деталей;12 — конвейер роликовый для контейнеров и крупных деталей; 13 — робот — сортировщик деталей; 14- машина-фаскорез; 15 — контейнеры (поддоны) для деталей

Рис. в.2. Структура системы управления ГАУ плазменной резки

Программное обеспечение ГАУ в соответствии с решаемыми задачами управления подразделяется на программное обеспечение (ПО) группового управления машинами (верхний уровень), функциональное программное обеспечение (нижний уровень) и программное обеспечение интерфейса.

В УВК верхнего уровня накапливаются скомпонованные по запускам управляющие программы и программы задания для технологического обо­рудования ГАУ, которые поступают в УВК от ЭВМ ЕС, применяющейся при технологической подготовке производства.

Важнейшей задачей ПОгруппового управления является распреде­ление и передача управляющих программ в УЧПУ машин в соответствии с подачей на эти машины листов металла, так как каждому листу отвечают вполне определенные программа маркирования деталей и программа раз­метки — вырезки деталей.

В задачу ПОгруппового управления входят также управление оборудо­ванием на узловых позициях транспортной системы, в том числе роботами — перегружателями листов и деталей на входе и выходе каждой ГАЛ, конт­роль работы оборудования и его останов в необходимых случаях.

Функциональное ПО осуществляет выдачу управляющих сигналов на движение исполнительных органов оборудования и на выполнение техно­логических команд, а также регулирование процесса, состоящее в измене­нии режимов работы (автоматический или ручной дистанционный режи­мы), позиционировании заготовок, возврате рабочего инструмента к на­чалу программы, отходе от контула и т. п.

Программное обеспечение интерфейса осуществляет обмен информаци­ей между уровнями. На всех уровнях в задачи ПО входит контроль досто­верности вводимой информации. Такой состав и организация средств вы­числительной техники и программного обеспечения позволяют осущест­влять на ГАУ плазменной резки групповое управление машинами с ЧПУ, диспетчирование работы всего оборудования, а также учет его работы.

Для создания автоматизированного оборудования, отвечающего тре­бованиям ГАУ, аналогами могут служить ранее разработанные плазморе­жущие машины с ЧПУ, а также транспортные системы механизированных линий и перегружатели листов. В их конструкции учтены особенности про­цесса плазменной резки и характеристики обрабатываемых материалов.

Наиболее важным видом оборудования на участке является разметоч­но-плазморежущая машина с ЧПУ. Конструкция и принцип работы такой машины описаны ниже.

Разметочно-плазморежущая машина для ГАУ (как и существующие стационарные машины тепловой резки) состоит из трех основных частей: рельсовых путей, вдоль которых закреплены рейки продольного хода; пор­тала, опирающегося по концам на две тележки, которые снабжены кат­ками и безлюфтовыми редукторами продольного хода; каретки, перемеща­ющейся по направляющим на портале и несущей суппорты с рабочим ин­струментом, которые имеют вертикальное перемещение.

Для перемещения исполнительных механизмов машины служат элект­родвигатели постоянного тока нужной мощности. С применением электро­механических систем осуществляется контроль скорости и пути подвижных частей; пределы их перемещений ограничиваются концевыми выключате­лями.

Одна из конструктивных особенностей машины состоит в том, что она снабжается устройством позиционирования листов, поступающих на резку на раскроечных рамах, относительно направлений движения портала и ка­ретки.

В соответствии с назначением машины на каретке закреплены (по разным сторонам портала) два суппорта, на одном из которых находится разметочное устройство для нанесения линий металлонапылением, а на втором плазменный резак. Конструкция применяющихся плазменных резаков, а также наличие энерго — и газоводомагистралей обеспечивают расширенные функциональные возможности машины, на которой может выполняться плазменная резка в воздушной, кислородной и воздушно-во­дяной среде.

На суппорте закреплены датчик, позволяющий выводить рабочий ин­струмент в точку начала работы машины по программе, а также под­держивать постоянное расстояние от резака до поверхности листа при вы­резке деталей.

На центральном пульте ГАУ устанавливаются индикаторы, фиксирую­щие работоспособное состояние каждой машины и нормальное протекание заданных программами технологических процессов. В числе обнаруживае­мых нештатных ситуаций должны быть не прорез и оплавление кромок де­талей.

При плазменной резке на машине обеспечивается (программным путем и аппаратными средствами) автоматическое выполнение всех «элементарных» технологических операций: выход резака в исходную точ­ку, задание режимов резки (с возможностью ручной дистанционной корректировки), выход в точку пробивки и опускание резака, включение резки, вырезка деталей (рабочие ходы и холостые переходы), выключение резки, возврат резака в исходное положение, а также контроль процесса. Подобным образом на машине выполняются операции разметки техноло­гических линий.

При замене инструмента (это относится в основном к плазменному ре­заку) не должен прерываться технологический процесс, что может быть достигнуто путем повышения стойкости электродов при резке (не менее, чем до 4 ч) или дублированием каретки с рабочим инструментом на портале машины.

Маркировочная машина по конструкции механической части (в том числе наличию на ней устройства позиционирования листа) и системе управления во многом схожа с разметочно-плазморежущей машиной, но выполняет меньшее число элементарных операций и имеет более простые установки и магистрали снабжения энергией и рабочей средой. Одна из основных конструктивных особенностей этой машины состоит в том, что перемещающаяся по порталу каретка несет на себе устройство нанесения знаков краской.

Расположение на листе и содержание марок деталей (общих, паспорт­ных и ориентирных) задаются с помощью управляющей программы. Лю­бая марка может содержать цифры 0—9, некоторые буквы и специальные знаки.

Перемещение устройства нанесения знаков в заданную точку листа происходит в результате продольного движения портала по рельсам и дви­жения каретки в поперечном направлении по порталу. Конструкция и прин­цип действия устройства обеспечивают нанесение марок в заданном поло­жении относительно кромок деталей.

Робот-перегружатель листов (деталей) (если исходить из существую­щих аналого-перегружателей) может представлять собой крановую конст­рукцию мостового или полукозлового типа, которая перемещается по рельсовому пути, уложенному на эстакаде или на полу цеха. При такой кон­струкции основными узлами робота-перегружателя являются:

мостовые балки, которые по концам опираются на ходовые тележки не­посредственно (для перегружателей мостового типа) или посредством опорных балок (для перегружателей козлового типа);

ходовые тележки и приводы перемещения, подъема траверсы и ее раз­ворота вокруг вертикальной оси; тележка перемещается по рельсам мос­товых балок;

грузозахватная траверса с магнитным или магнитно-вакуумными схватами.

Подвеска траверсы должна исключать раскачивание груза при его подъеме/опускании и транспортировании. Возможными конструктивными решениями могут быть применяющиеся в существующих перегружателях: жесткие направляющие телескопического типа, жесткие подвески типа пантографа или подвижные схваты, а также тросовая пространственная подвеска.

Робот должен быть снабжен средствами управления, смонтированны­ми на одном из его конструктивных узлов.

Система управления роботом — позиционная. Она должна обеспечи­вать: адресование робота к требуемой позиции и остановку его с заданной точностью над листом, находящимся на рольганге или в пачке; опускание траверсы и включение схватов; подъем траверсы и транспортирование листа к позициям укладки; опускание траверсы и отключение схватов, воз­врат робота в исходное положение.

Элементы системы управления робота-перегружателя листов должны обеспечить автоматическую остановку робота с грузом и без груза в задан­ном адресе с необходимой точностью и осуществление уверенного взятия листа или детали. Для этого, в частности, должны выполняться в автома­тическом режиме операции определения фактического положения кромок листа относительно грузозахватной траверсы, включение необходимого числа схватов и регулирование мощности магнитного потока для взятия только одного листа из пачки, контроля отсутствия недопустимых переко­сов и смещений взятого листа из-за несовпадения его центра тяжести с цен­тром траверсы и др.

Транспортная система линии разметки и плазменной резки состоит из механической части и средств путевой автоматики, связанной с системой управления ГАУ. Механическая часть представляет собой двухъярусную конструкцию. В этой конструкции верхний ярус соответствует рабочему по­ложению листов, подаваемых на машины с ЧПУ; нижний ярус образует ро­ликовый конвейер, по приводным роликам которого могут перемещаться в обоих направлениях раскроечные рамы, предназначенные для транспортирования листов к машинам. Ролики приводятся во вращение от электро­двигателей посредством цепных передач или иным способом. На тех пози­циях линии, где расположены разметочно-теплорежущие машины с ЧПУ, роликовый конвейер снабжен механизмами подъема раскроечных рам с листами на верхний ярус в зону действия рабочих органов машин. Меха­низмы подъема рычажного типа имеют пневмо — или гидроприводы. Вклю­чение, реверс и выключение двигателей на линии осуществляются посред­ством системы датчиков, расположенных на конструктивных узлах конвей­ера и машины с ЧПУ.

Система датчиков фиксирует все взаимосвязанные положения элемен­тов линии, в число которых входят: нахождение порожней раскроечной рамы на входной позиции линии; укладка листа, осуществленная роботом — перегружателем, на раскроечную раму; готовность машины с ЧПУ при­нять раскроечную раму с листом (машина свободна); остановка раскроеч­ной рамы с листом на позиции свободной машины с ЧПУ; подъем рас­кроечной рамы с листом на верхний ярус (подача листа на машину); установка листа в требуемое положение в системе координат машины (ось X — движение портала, ось Y — движение каретки); выход рабо­чего инструмента в точку начала включения программы; окончание раз­метки и резки, возврат рабочего инструмента в исходное положение; опускание раскроечной рамы с вырезанными деталями на нижний ярус линии; подача по конвейеру раскроечной рамы на резервную позицию; отсутствие на нижнем ярусе линии раскроечных рам с листами для воз­можности возврата порожней раскроечной рамы с резервной на входную позицию.

Система датчиков задает перемещения элементов линии в нужной по­следовательности, дает возможность следить за работой линии по мнемо­схеме в центральном пульте управления ГАУ, позволяет избежать возник­новения нештатных и аварийных ситуаций.

В ГАУ плазменной резки предъявляются особые требования к надеж­ности системы управления и конструктивных узлов машин с ЧПУ, роботов — перегружателей и транспортных средств, так как все они работают в цехо­вых условиях, при которых возможны наводки от плазменной дуги, замет­ные колебания температуры и влажности воздуха, вибрации и толчки при выполнении перегрузочных операций.

С большими техническими сложностями связано решение задачи авто­матизации (или высокого уровня механизации) вспомогательной операции уборки отходов, которая может выполняться на позиции сортировки или на специальной позиции между вырезкой и сортировкой деталей.

Неделовые отходы и обрезы металла после резки находятся в разных местах раскроенного листа (у кромок листа и между деталями), имеют раз­нообразную геометрическую форму, представляют собой иногда узкие длинные и сильно деформированные полоски металла. Для уборки отходов их необходимо разрезать и удалить из раскроенного листа. Разрезка отхо­дов может быть предусмотрена в управляющих программах, а для их уда­ления требуется разработка специальных средств и технических приемов.

Конструкция вырезаемых на ГАУ листовых деталей должна быть тех­нологичной применительно к конкретным условиям эксплуатации ГАЛ плазменной резки, а также последующего оборудования, применяющегося в соответствии с технологическими маршрутами изготовления деталей. Анализ показывает, что в картах раскроя листов содержатся детали, из­готовление которых на ГАЛ может потребовать усложнения обрабатывав­шего оборудования или дополнительных сложных технологических опера­ций. К таким деталям, например, относятся мелкие детали, которые при вы­резке могут выходить из плоскости; узкие длинные полосы, требующие после обрезки правки в двух плоскостях и др.

Высокая скорость плазменной резки (по сравнению с кислородной) позволяет сократить общее рабочее время изготовления детали или партии деталей за счет значительного уменьшения машинного времени. Вследст­вие этого резко возрастает доля вспомогательного времени в общем рабо­чем времени, затрачиваемом на обработку заготовок. В связи с этим даль­нейшее повышение производительности труда при использовании плаз­менной резки производится за счет сокращения времени выполнения вспо­могательных (в основном транспортных) операций. Эта задача решается посредством механизации и автоматизации этих операций и путем более рациональной организации производственного процесса.

Идеальной является такая организация процесса, при которой создают­ся условия для осуществления непрерывного процесса резки, т. е. непре­рывной работы плазморежущей машины. Однако практической реализа­ции такого процесса препятствуют многочисленные факторы технического, технологического и организационного характера. В связи с этим реальные организационные схемы производства лишь в большей или меньшей сте­пени позволяют осуществлять идеальную схему.

Существующие реальные схемы организации выполнения произ­водственного процесса тепловой (в том числе плазменной) резки можно разделить на две основные группы. К первой относятся рабочие места (от­дельно работающая машина с раскроечным столом), а ко второй — поточ­ные линии.

На рабочем месте обычно выполняется одна или несколько закреплен­ных за ним технологических операций обработки заготовки или нескольких заготовок одновременно. Соответственно оно оснащено необходимыми тех­нологическим оборудованием, приспособлениями, инструментом, средст­вами техники безопасности. Для подачи заготовок могут использоваться общецеховые транспортные средства или специальная транспортная система, если рабочее место включено в состав поточной линии.