Разработка и исследование автоматизированного устройства для лазерного термоупрочнения гильз цилиндров на базе двигателей с полым ротором

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ)

Факультет Механико-технологический

Кафедра Автоматизация технологических процессов

Выпускная квалификационная работа

на соискание академической степени бакалавра

по направлению 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств»

Тема: «Разработка и исследование автоматизированного устройства для лазерного термоупрочнения гильз цилиндров на базе двигателей с полым ротором»

Владимир 2015

Аннотация

Исходя из поставленной задачи, в выпускной квалифмкационной работе был проведен анализ конструкции и дефектов гильз цилиндров, выявлены методы по решению проблемы обработки внутренней поверхности гидьз.

В работе был рассмотрен роботизированный комплекс для лазерного термоупрочнения на базе волоконного лазера ЛС-3-К и шести осевого промышленного робота. Разработано устройство - манипулятор позволяющий проводить лазерное термоупрочнение сухих гильз цилиндров. Конструкция разработанного манипулятора подтверждена корректно проведенными конструкторскими расчетами.

Проведен патентно-информационный поиск.

В процессе работы проводились теоретические исследования методом анализа литературы и нормативных источников.

Zusаммеnfаssung

аuf dеn lетzтеn QuаlifiКатiоns Sтudеnт Каzаnтsеv Dеnis I.

zuм Тнема "Fоrsснung und ЕnтwiсКlung vоn аuтоматisiеrтеn Sysтемеn für diе Lаsеr тнеrмisснеn Нärтung vоn Zylindеrlаufвuснsеn ваsiеrеnd аuf Мотоrеn мiт еinеr нонlеn Rотоr."

Веzоgеn аuf diе Аufgаве, iм Авgаs КvаlifмКатsiоnnоy Аrвеiт unтеrsuснтеn wir diе SтruКтur und Мängеl vоn Zylindеrlаufвuснsеn, idеnтifiziеrтеn Метноdеn, uм dаs Рrовlем dеr Vеrаrвеiтung dеr innеrеn Овеrfläсне gidz аdrеssiеrеn.

Diе Аrвеiт wurdе аls еin Rовот-Sysтем für diе Lаsеr тнеrмо-ваsiеrтеn Fаsеrlаsеr LS-3-К und sеснs Аснsеn-Indusтriеrовотеr. Diе Indusтriееinriснтung - siе еrмögliснеn diе Durснfüнrung Lаsеr тнеrмоsтrеngтнеning тrосКеnе Zylindеrlаufвuснsеn. Diе durсн dеn Маniрulатоr еnтwiсКеlт Dеsign веsтäтigт diе RiснтigКеiт dеr Dеsign-Веrеснnungеn.

Еin Ратеnтinfоrматiоnsgеwinnung.

In dем Vеrfанrеn dеr тнеоrетisснеn Fоrsснung durсн diе Аnаlysе dеr Liтеrатur und rеgulатоrisснеn Quеllеn.

Содержание

Введение

. Постановка задачи исследования

. Исследовательская часть

.1 Исследование конструкции, дефектов и ремонт гильз цилиндров

.1.1 Классификация гильз двигателей внутреннего сгорания

.1.2 Конструкция гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания

.1.3 Условия работы и основные дефекты гильз

.1.4 Ремонт гильз двигателей внутреннего сгорания

.2 Патентно-информационный поиск и анализ

.2.1 Предлагаемый способ решения поставленной задачи

. Технологическая часть

.1 Методы упрочнения рабочих поверхностей гильз

.2 Лазерная обработка

.3 Параметры системы для реализации технологического процесса

.3.1 Устройство и работа оборудования комплекса. Назначение

.3.2 Структура системы управления роботизированного комплекса

.3.3 Описание средств интерфейса управления

. Расчетно-конструкторская часть

.1 Расчёт поворотного привода

.2 Структура системы управления лазерным комплексом и ее разработка

.3 Разработка и описание кинематической функциональной схемы

.4 Разработка циклограммы работы РЛТК

Заключение

Список используемых материалов и литературы

Библиографический список

Введение

О надежности и долговечности машины судят обычно по стабильности рабочих характеристик, заложенных в ней при изготовлении. Неисправности могут возникнуть в результате естественного износа деталей, сопряжений, не устранимого простой регулировкой.

Среди агрегатов тракторов и автомобилей наиболее быстро изнашиваемый и наименее надежный и долговечный агрегат - двигатель. В двигателях наиболее быстро изнашиваются поршневые кольца, поршни, цилиндры, клапаны, коленчатый вал, шатунные и коренные подшипники коленчатого вала. Гильзы цилиндров должны быть прочными, жесткими, износостойкими.

Применение традиционных методов обработки поверхности не дает возможного результата по увеличению ресурса работы деталей. Ускорение научно-технического прогресса в машиностроении требует скорейшего внедрения новых методов упрочнения рабочих поверхностей инструмента, технологической оснастки, деталей и механизмов, работающих с большими нагрузками. Разработка принципиально новых технологий в народном хозяйстве прведет к полной автоматизации при увеличении производительности и максимального эффекта, как экономического, так и технического. Научно-исследовательские и учебные институты проводят различные исследования в области совершенствования организации ремонта и восстановления деталей.

По мере развития автоматизированных производств начинают осваивать применение метода лазерного термоупрочнения поверхностей деталей, используя концентрированные потоки энергии в виде лазерного излучения. Такая технология применяется как для упрочнения поверхностей деталей, так и для восстановления их изношенных поверхностей.

На современном этапе развития автоматизации машиностроения актуальны инженерно- технические разработки, направленные на повышение эффективности производственных процессов, обеспечение сбалансированного взаимодействия человека и природы.[1]

В основу приоритетов государственной политики заложен принцип развития промышленности и повышение ее конкурентоспособности и одобрено Правительством РФ в январе 2014 г. «…недопущение научного и технологического отставания России от признаваемого мирового уровня предполагает создание структурно сбалансированной промышленности, способной к эффективному саморазвитию…на основе разработки и применения передовых промышленных технологий».[16]       

Основным подходом к разработке систем автоматизации является создание и эффективность использования автоматических линий, участков и цехов.

Автоматизированные производства получили применение при массовом и крупносерийном изготовлении изделий, так как их конструкция является устойчивой и в течение длительного времени не претерпевает существенных изменений. Они также начинают применяться в серийном производстве, при котором реализуется гибкая технология и используется перестраиваемое и переналаживаемое оборудование.

Наличие в комплексе поворотного стола облегчает работу обслуживающего персонала. Теперь она заключается лишь в установке заготовки на стол.

Следуя вышесказанному, технология обработки материалов сфокусированным излучением лазера, применяя автоматизацию в оптимальных режимах позволит решить модернизацию технологической базы машиностроительной, станкоинструментальной промышленности.

Применяя такую технологию, произойдет увеличение производственных мощностей за счёт повышения производственной эффективности, обеспечение роста производительности труда, а также повышения качества обработки материалов.

Лазерная технология, несомненно, относится к новым технологиям. Общая цель - выпуск на рынок товаров лучшего качества, с более низкой себестоимостью и в более разнообразном ассортименте готовой продукции в сочетании с разветвленной сетью заказчика и поставщиков сырья.

Существенный рост объема промышленного производства, по данным Росстата, был в январе 2015 г. и вырос на 0,9% по сравнению с 2014 г. Более чем 36% спроса на промышленное применение роботов приходится на автомобильную промышленность. Рост внедрения промышленных роботов в мировую экономику ежегодно прирастает на 5%, а в России к 2016 г. он может вырасти на 60%.

Таким образом, делаем вывод, что лазерным технологиям нет альтернативы в индустриально развитом обществе, так как они экологически чисты, возможны осуществления процессов, недоступных или труднодоступных большинству других технологий, возможна полная автоматизация и высокая фондоотдача от их применения.

гильза роботизированный лазерный тepмoупpoчнeние

1. Постановка задачи исследования

В настоящее время лазерная технология является одним из приоритетных направлений работы для исследователей всего мира.

Сейчас никого не удивишь наличием лазерных установок и комплексов в самых различных отраслях, на предприятиях как крупных так и на малоизвестных.

Отечественная лазерная наука и индустрия создали широкий спектр лазерной техники различного назначения, с различными длинами волн излучения, различных уровней мощности. Лазерное оборудование достаточно дорогое, но при правильном выборе области внедрения, грамотной организации работы и благодаря уникальным технологическим возможностям лазерного луча, это оборудование вполне окупается.

Лазерная технология применяется в тех случаях, когда невозможно применение других технологий (например, при обработке хрупких и очень твердых материалов) или когда лазерная обработка позволяет получить результаты, не достижимые при других видах обработки (например, при нанесении синтетического алмазного покрытия на поверхность детали без использования вакуумного оборудования). Рациональнее использовать лазерное оборудование с ЧПУ в мелкосерийном производстве, так как более дорогое и производительное оборудование не окупается.[18]

Лазер открывает возможность развития технологических процессов обработки в ряде областей производства, во многом благодаря тому, что лазерное излучение обеспечивает громадную концентрацию энергии на относительно малых участках обработки. Именно этим обусловлено повышенный интерес к лазерной технике на тех предприятиях, где в больших объемах используются сварка материалов, их резка, маркировка, гравировка, термоупрочнение и т.д.

Таким образом, использование лазерных технологий является актуальной задачей, что позволит повысить производительность и качество обработки.

С внедрением автоматизированного технологического комплекса снижаются многие виды затрат, например, освобождаются около половины производственных площадей, что ведет к удешевлению использования единицы площади и сокращению количества работников.

Одной из актуальных проблем в машиностроении является качество и регламентированная стойкость готовых изделий. Поэтому, научно-технический прогресс постоянно ищет новые технологические приемы упрочнения с целью существенного улучшения основных технологических свойств конструкционных и инструментальных материалов.

К таким технологическим приёмам относится упрочнение поверхностного слоя детали за счёт изменения его химического состояния или структуры, и инновационный и эффективный метод лазерного термоупрочнения поверхностного слоя материала. Этот метод создает широкие реальные технические и технологические возможности эффективного повышения износостойкости и срока службы деталей.

По мере ужесточения конкурентной борьбы на внутреннем и внешнем рынках важным фактором в повышении конкурентоспособности организации становится внедрение механизмов, обеспечивающих формообразующие траектории движения обрабатываемой детали, их базирование, фиксацию, загрузку, разгрузку и организацию в реальном времени и пространстве процесса металлообработки. Время вспомогательных движений достигает 30% оперативного времени, а это приводит к повышению производительности автоматизированного технологического оборудования. Отсюда, повышение эффективности металлообработки связано с совершенствованием действующих и созданием новых целевых механизмов повышенного быстродействия и точности, обеспечивающих требуемые производительность и качество обработки с меньшими затратами времени и средств.

Из выше сказанного следует, что целью исследования является повышение производительности процесса автоматизированного лазерного термоупрочнения, сокращение вспомогательного времени, связанного с организацией непрерывного процесса металлообработки деталей сложной формы или с труднодоступными зонами.

Задачи исследований:

. Провести патентно-информационный поиск и анализ

. Проанализировать исследования процесса лазерного термоупрочнения поверхностей гильз двигателей внутреннего сгорания.

. Изучить состав и принцип работы роботизированного комплекса.

. Разработать манипулятор на базе синхронного двигателя с полым ротором для увеличения производительности.

В данном проекте представлен роботизированный комплекс, включающий волоконный лазер, промышленный шестиосевой робот Fаnuс 710iС/50, головку для лазерного термоупрочнения, системы управления Fаnuс и пульта управления FАNUС, чиллера компрессора, усилителя давления, видеокамеры, а также манипулятор на базе синхронного двигателя с полым ротором.

2. Исследовательская часть

.1 Исследование конструкции, дефектов и ремонта гильз цилиндров

.1.1 Классификация гильз двигателей внутреннего сгорания

Создание максимально легкого и мощного двигателя - первоочередная задача для инженеров всех автомобильных компаний, которою они с тем или иным успехом пытаются решить уже более ста лет.

Гильза цилиндров - это важная часть блока цилиндров, она представляет собой металлическую вставку, устанавливаемая в блоке поршневых тепловых двигателей с водяным охлаждением. Гильзой она названа неспроста, ведь в переводе с немецкого «гильза» обозначает - оболочка, каковой она и является, т.к. в гильзе расположен поршень. Кстати сказать, объем этой гильзы цилиндра считается рабочим объемом двигателя (рис.2.1.).

Рис.2.1. Чугунный блок со съемными гильзами

Гильза позволяет сделать мощный двигатель легким, не снижая его мощности.

К гильзам цилиндров предъявляются следующие требования: достаточная прочность стенок при действии на них сил газов, хорошая износостойкость зеркала цилиндра при длительной работе двигателя, высокие антифрикционные и антикоррозионные свойства. Гильзы цилиндров могут являться как самостоятельной конструкционной единицей двигателя («мокрые» и гильзы двигателей воздушного охлаждения), так и являться элементом ремонтной технологии, предусмотренной заводом изготовителем (например: «сухие» гильзы для двигателей, где цилиндры выполнены заодно с блок-картером). В автомобильных и тракторных двигателях наибольшее распространение получили чугунные гильзы. [3]

В зависимости от конструкции двигателя гильзы делятся на три основные группы:

. «Мокрые» гильзы цилиндров.

. «Сухие» гильзы цилиндров.

. Гильзы для двигателей с воздушным охлаждением.

«Мокрые» гильзы

«Мокрыми» называются гильзы, наружная поверхность которых омывается охлаждающей жидкостью, циркулирующей в системе каналов, пронизывающих толщу блока цилиндров.

Эта система называемой «водяной рубашкой» и служит для равномерного отвода тепла от блока цилиндров. В районе установки гильз охлаждающая жидкость "выходит на поверхность", чтобы напрямую омывать стенки гильзы. Поэтому такой тип гильз и называется мокрым. Блок цилиндров с «мокрыми» гильзами обеспечивает лучший отвод тепла, поэтому «мокрые» гильзы получили очень широкое распространение (рис. 2.2.). Для предотвращения прорыва газов в охлаждающую жидкость и просачивания её в цилиндр и картер двигателя гильзы комплектуются уплотнительными прокладками между буртом гильзы и плоскостью блока.

Рис. 2.2. Общий вид мокрой гильзы  «Сухие» гильзы

«Сухие» гильзы запрессованы в тело цилиндра и не имеют прямого контакта с охлаждающей жидкостью. Гильзы могут фиксироваться при установке верхним буртом, нижним буртом или вообще могут устанавливаться без упора (рис. 2.3). Конструкцией некоторых двигателей предусмотрена заливка при изготовлении в блок-картер гильз изготовленных из износостойкого материала, создавая тем самым оптимальные условия для работы цилиндропоршневой группы. Например, некоторые производители предпочитают делать алюминиевые блоки с не сменными гильзами методом литья. В этом случае гильзы укрепляются в форме для отливки, которая позже заполняется расплавленным алюминием. Созданные таким образом блоки цилиндров по жесткости от обычных чугунных не отличаются. Такой алюминиевый блок цилиндров применяется для уменьшения веса силового агрегата и залитые в него «сухие» гильзы позволяют увеличить ресурс и повысить ремонтопригодность).

Рис.2.3. Сухие гильзы блока цилиндров.

«Сухие» гильзы хуже отводят тепло, но их пррименение позволяет придать блоку цилиндров монолитную жёсткость.[3]

Гильзы цилиндров для двигателей с воздушным охлаждением.

Для двигателей воздушного охлаждения гильзы цилиндров выполнены с ребрами охлаждения.

Необходимость создания охлаждающих воздушных потоков не позволяют применять блок-картерный тип отливки. В этих двигателях применяют отдельно отлитые цилиндры с воздушными ребрами, расположенными чаще всего перпендикулярно оси цилиндра. Эти гильзы цилиндра крепятся к верхней части картера короткими шпильками через опорный фланец (несущие цилиндры) или при помощи анкерных (несущих) шпилек, проходящих сквозь всю головку цилиндров. Головка устанавливается на эти шпильки и затягивается в обычном порядке, прижимая тем самым цилиндры к картеру и обеспечивая герметизацию (рис. 2.4). Двигатели с воздушным охлаждением стали «донором», давшим миру автомобильные гильзованные двигатели.

Рис. 2.4. Вид гильз с охлаждением

Гильзы цилиндров двигателей воздушного охлаждения изготавливают как из одного (монометаллические), так и из двух (биметаллические) металлов. Монометаллические цилиндры делают из чугуна, реже из стали или легких сплавов. Из биметаллических цилиндров получили распространение чугунные или стальные цилиндры с залитыми (или навитыми) алюминиевыми ребрами.[6]

Гильзы цилиндров изготавливаются из серого чугуна, например СЧ 30, СЧ 35, который является хорошим антифрикционным материалом, с добавочными элементами: никель, медь, титан в небольшом процентном соотношении для улучшения качества поверхности металла. Это существенно обеспечивает снижение интенсивности изнашивания.[15]

2.1.2 Конструкция гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания

Блок цилиндров или блок-картер является основой двигателя. На нем и внутри него расположены основные механизмы и детали систем двигателя. У большинства современных двигателей жидкостного охлаждения цилиндр, где перемещается поршень, выполняется в виде мокрой, либо в виде сухой гильзы. Конструкция гильз должна обеспечивать надежность уплотнений в местах стыков гильз с головкой и блоком цилиндров. Гильза занимает среди теплонапряженных деталей двигателя особое место, как по выполняемым функциям, так и по предъявляемым к ней требованиям.

Гильзы цилиндров представляют собой тонкостенные пустотелые цилиндры с тщательно отполированной рабочей поверхностью.

Сухие гильзы толщиной 2-4 мм запрессовывают или устанавливают с зазором 0,01-0,04 мм. Сухие запрессованные гильзы, устанавливаются по всей длине цилиндра или только в верхней его части, могут не иметь опорных кольцевых буртиков. Иногда сухие гильзы вставляют по всей длине цилиндра свободно, с небольшим зазором. Для повышения герметичности газового стыка на фланце втулки выполняют кольцевой буртик шириной 2-5 мм. При работе двигателя вследствие неодинаковости температур гильзы и стенок блока цилиндров зазор исчезает.

Мокрую гильзу в гнездо блок-картера устанавливают так, чтобы можно было предотвратить утечку жидкости из водяной рубашки в гильзу и поддон картера, а также для обеспечения возможности изменения длины при нагревании и охлаждении.

Мокрая гильза в верхней части имеет обработанный буртик, которым она входит в кольцевую выточку блока. На наружной цилиндрической поверхности гильзы расположены верхний и нижний посадочные пояса, которыми она плотно входит в центрирующие отверстия блок-картера, при этом диаметр нижнего пояса несколько меньше диаметра верхнего. Опорные плоскости гильзы могут быть расположены в верхней, части блока в кольцевом приливе, находящемся от торцовой плоскости на расстоянии 1/3-1/2 диаметра цилиндра, их жесткость при затяжке шпилек должна обеспечивать меньшее нарушение геометрической формы гильзы, а также в приливе, расположенном в нижней части блока. При более низком расположении опорной плоскости гильзы по отношению к головке цилиндров улучшаются условия охлаждения верхней части гильзы и понижается температура поршневых колец.

Толщина стенок мокрых гильз составляет 6-8 мм. Для уменьшения износа гильзы в ее верхнюю часть запрессовывают короткую вставку из специального антикоррозионного чугуна. (рис. 2.5)

Рис. 2.5. Устройство «мокрой» гильзы цилиндров: 1 - рабочая поверхность гильзы; 2 и 3 - верхний и нижний шлифованные пояски; 4 - канавки для резиновых уплотняющих колец; 5 - кольцевой поясок верхнего торца гильзы.

В зависимости от способа установки в блоке цилиндров можно выделить гильзы, опирающиеся буртом на верхнюю плиту блока, и подвесные, когда гильза, соединенная с крышкой цилиндра относительно тонкими шпильками, образует с последней узел, закрепляемый в корпусе основными силовыми шпильками.

Первый вид гильз применяется в двигателях всех типов. В автомобильных и тракторных дизелях применяют мокрые гильзы, отливаемые из чугуна, с верхним опорным фланцем (рис. 2.5,а). Опорная площадь фланца, ограниченная диаметрами D₁ и D₂,составляет 8-15% площади поршня. При этом давление от сил затяжки шпилек, крепящих головку цилиндра к блоку, на кольцевой поверхности (D_т - D₂) не должно превышать 380-420 МПа для чугунных и 140-180 МПа для алюминиевых блоков.

а) б)  в)

Рис. 2.6. Способы опирания гильзы цилиндра в блоке: а - верхним опорным поясом; б, в- нижним опорным поясом

С увеличением разности D₂ - D₁ повышается напряжение изгиба в верхнем поясе. Высота н фланца составляет 7-10% диаметра цилиндра D.[4]

Рабочую поверхность гильзы цилиндра, по которой перемещается поршень с кольцами, называют зеркалом цилиндра. Точная обработка рабочей поверхности должна обеспечивать легкость движения поршня и плотное прилегание его к цилиндру.

Рабочая поверхность имеет шероховатость Rа = 0,32 мкм, овальность и конусность должна быть не не менее 0,02 миллиметров. На рабочую поверхность цилиндра наносят специальный микрорельеф, высота которого составляет доли микрометров. Такая поверхность хорошо удерживает масло и способствует снижению потерь на трение юбки поршня и уплотнительных колец.

Эту поверхность подвергают закалке с нагревом токами высокой частоты для повышения износостойкости и долговечности и тщательно обрабатывают для уменьшения трения при движении в цилиндре поршня с кольцами. Интенсивность кавитации, приводит к разрушению цилиндров и снижают при помощи ряда мероприятий: уменьшают зазоры между поршнем и втулкой; используют замкнутую систему охлаждения; увеличивают проходные сечения охлаждающей полости, повышают жесткость гильзы и закрепляют ее более прочно.

Распространенная продольно-диагональная схема (рис. 2.6, а) обтекания имеет ряд недостатков, выражающихся в снижении интенсивности теплоотдачи в верхней наиболее нагретой части гильзы, большой неравномерности температурного поля гильзы и опасности возникновения объемного кипения в застойных зонах.

На рис. 2.6, б представлена исследованная в НАТИ схема с верхним подводом охлаждающей жидкости и поперечным обтеканием.

а)  б)

Рис. 2.7. Схемы охлаждения гильз блока цилиндров: а - продольно-диагональная; б - с поперечным обтеканием

Основное отличие этой схемы заключается в наличии кольцевой щели с радиальной шириной (0,03-0,04)D, которая является верхней частью полости охлаждения. Данная схема обеспечивает допустимый уровень температур во втулке (150-160 °С), а также более равномерное распределение температур по длине и периметру гильзы.

Блок картер с сухими гильзами имеет повышенную жесткость по сравнению с блоком, с установленными «мокрыми» гильзами.

Таким образом, конструктивный выбор гильзы цилиндров зависит от способа установки в блок-картере. На данный момент производители гильз выпускают так называемые, заготовки гильз, то есть гильзы имеющие запас по длине и внешнему диаметру и после обработки запрессовываются с натягом в блок цилиндров. В этих гильзах внутренняя поверхность не обрабатывается. Они растачиваются только после установки гильзы в блок цилиндров.

.1.3 Условия работы и основные дефекты гильз

Рабочая поверхность цилиндра работает в условиях переменных давлений и температур, а также подвергается воздействию агрессивной среды отработавших газов.

Самой уязвимой частью цилиндро-поршневой группы является уплотнение между поршнем и цилиндром. Даже небольшая часть (меньше 1%) высокотемпературных рабочих газов, прорвавшихся в поршневую канавку, способствует дожиганию копоти и сажи, которые снимаются со стенки цилиндра верхним поршневым кольцом. В результате образуется нагар. Происходит постепенное заполнения термодинамических зазоров и компрессионного кольца, которое теряет свою подвижность относительно поршня и цилиндра, пригорает к поршню, становится жестким, в результате чего на стенки цилиндра появляются задиры, которые приводят к заклиниванию поршня и поломке двигателя.[6] Основной причиной, вызывающей необходимость ремонта, является изнашивание поверхностей в процессе трения - скольжения и разными режимами смазки.

Основными дефектами гильз цилиндров являются: износ внутренней поверхности, продольные трещины, скол буртиков, кавитация, неравномерный износ, выработка хонинговальной структуры, трещины из-за гидравлического удара. Основными причинами появления данных дефектов является воздействие абразивных частиц, газовая коррозия, трение поршневых колец. Рассмотрим каждый дефект подробнее:

Продольные трещины гильз.

Трещины гильз такого рода часто вызваны ударными нагрузками. Такой дефект вызывает бурление охлаждающей жидкости или снижение ее уровня (рис.2.8).

Возможные причины повреждения:

• гидравлические удары, [4]

• посторонние тела под контактными или уплотнительными поверхностями,

• дефектные опоры буртиков

Рис. 2.8. Продольные трещины гильз

Скол буртика гильзы цилиндра.

У гильзы блока цилиндров оторван полностью верхний буртик (рис. 2.9). Такие повреждения вызваны изгибающими моментами, появляющимися при некачественной сборке.

В большинстве случаев буртик гильзы откалывается уже при затяжке головки блока цилиндров.

Возможные причины повреждения:

• Использовались «не заводские» прокладки (уплотнения других изготовителей имеют отчасти другую форму и другой диаметр).

• Не соблюдались предписанные изготовителем двигателя моменты затяжки.

• Не были обеспечены допуски геометрической формы опоры буртика.

Рис. 2.9. Скол буртика гильзы цилиндра

Кавитации на гильзах цилиндра.

Кавитация появляется в основном в плоскости качания поршня (на нагруженной или на ненагруженной стороне) и вызвана вибрациями стенки цилиндра. Высокочастотные вибрации возникают в момент детонационного горения и качением поршня в нижней и верхней мертвой точке. Со временем вследствие этого образовываются каверны (рис. 2.10). Для предотвращения кавитационного разрушения в гильзах двигателей протачивают специальную канавку, в которую вставляют антикавитационное кольцо прямоугольного сечения 3 (рис. 2.10.1).

Возможные причины повреждения:

• Не был соблюден зазор между поршнем и гильзой (повторная установка уже работавших поршней, изношенные гильзы).

Рис. 2.10. Кавитации на гильзах цилиндра

Рис. 2.10.1. Схема цилиндра с антикавитационным кольцом

• Некачественная или неточная посадка гильзы.

• Отсутствуют присадки в масле для защиты от замерзания и защитой от коррозии.

• Недостаточное или избыточное давление в системе охлаждения.

• Слишком низкая рабочая температура двигателя.[8]

Неравномерный износ гильзы.

Неравномерный зеркальный внешний вид поверхности скольжения на рабочих поверхностях гильзы всегда является признаком перекоса цилиндра (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Неравномерный износ гильзы

Слишком мокрые или сухие гильзы цилиндров могут иметь перекос уже непосредственно после сборки. Поршневые кольца не совсем герметизируют перекос цилиндра ни относитееьно масла, ни относительно газов сжигания. Масло проходит мимо поршневых колец, попадает в камеру сгорания и сжигается. В результате газов сжигания повышается давление в блок-картере. Это избыточное давление приводит к потере масла в различных местах стыка двигателя, всасывается двигателем и сжигается или выбрасывается.

Возможные причины появления:

• Неравномерная или неправильная затяжка болтов головки блока цилиндров.

• Срыв резьбы болтов головки блока цилиндров.

• Неподходящие или неправильные прокладки головки блока цилиндров.

• Дефектная опора буртика в картере, неправильный выступ буртика.

Блестящие места в верхней зоне гильзы.

На рабочей поверхности гильзы в верхней части имеются места с глянцевым блеском, а сам поршень не имеет значительных следов износа. У двигателя наблюдается повышенный расход масла (рис. 2.12). Такие виды износа появляются тогда, когда при эксплуатации на жаростойком поясе поршня образовывается твердый масляный нагар в результате несгоревшего масла и остатков горения.

 

Рис. 2.12. Блестящие места в верхней зоне гильзы, нагар на поршне

Возможные причины появления:

• Попадание чрезмерно большого количества моторного масла в камеру сгорания из-за дефектов

маслосъемных колпачков стержней клапанов и т. д.

• Избыточное давление в блок-картере из-за большого количества газов, проникших в картер из камеры сгорания.

• Недостаточная конечная обработка гильзы и в результате этого повышенный выход масла.

• Использование моторных масел низкого качества.

Трещина гильзы из-за гидравлического удара.

На внутренней поверхности гильзы в верхней части имеется трещина и задиры на рабочей поверхности (рис. 2.13). На поршне также имеются задиры. В цилиндр в процессе работы попадала жидкость. Высокое давление жидкости разорвало гильзу и образовало углубление в днище поршня.[8] Возможные причины появления:

• Непреднамеренное всасывание воды при переезде через лужи.

Рис. 2.13. Трещина гильзы из-за гидравлического удара и повреждения поршня

• Заполнение цилиндра водой при неработающем двигателе из-за не герметичности уплотнения головки блока цилиндров.

• Заполнение цилиндра топливом при неработающем двигателе из-за не герметичности форсунок.

.1.4 Ремонт гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания

Ресурс двигателя в значительной мере определяется состоянием гильз цилиндров. Применение гильз снимает ограничение с количества капремонтов, способных выдержать блок. Теоретически это можно делать неограниченное количество раз, но кузов автомобиля не вечен. Для обычного блока без гильз допускается 3-4 предусмотренных изготовителем калибров ремонтных поршней. Это ограничивает количество возможных ремонтов. Когда выполнен последний ремонт и цилиндр не подлежит расточке, то применяют гильзы, запрессовка которых поднимает ресурс блока на несколько ремонтов.

Ремонтируются гильзы либо по времени износа, либо преждевременно, из-за большого пробега и износа. Наибольший износ гильз блоков наблюдается на расстоянии 20-25 мм от верхней кромки в зоне остановки верхнего компрессионного кольца в в.м.т. Интенсивнее гильзы изнашиваются в плоскости качания шатуна.

Основные причины износа гильз цилиндров:

− газовая коррозия;

− воздействие трением поршневых колец;

− взрыв рабочей смеси;

− плохое качество смазки;

− высокая рабочая температура.

Процесс ремонта гильзы цилиндров.

Менять одну или две гильзы нельзя, замена производится сразу и всех гильз. Величину износа, овальность, конусообразность определяют с помощью индикаторного нутромера. Допустимый без ремонта зазор между гильзой и юбкой поршня- 0,4 мм, при допускаемой конусообразности и овальности для гильз двигателей- 0,09 мм. При овальности 0,1 мм симметричные гильзы рекомендуется повернуть на 90° по отношению к прежнему положению.

Ремонтный размер гильз цилиндров большинства дизелей увеличен на 0,7 мм. Все цилиндры или гильзы одного блока обрабатывают под один ремонтный размер. Процесс замены полностью зависит от того, какие гильзы (мокрые) или (сухие) установлены. Ремонт двигателей с «мокрыми» гильзами, простой - в блок устанавливается новые пары гильза-поршень, не требующие доработки.

Для капремонта даже можно не снимать двигатель, и он может быть выполнен даже в полевых условиях. При смене сухих гильз, без специального оборудования не обойтись. При необходимости ремонта гильзы растачиваются и хонингуются, как обычные цилиндры.[12]

Промывают гильзы в проточной воде, затем сушат в сушильном шкафу (т = 20⁰ С,  = 10 мин). После проведения ремонта необходимо правильно произвести установку гильзы в блок цилиндра. При охлаждении диаметр гильзы уменьшается примерно на 0,15 миллиметров, нагревая основное отверстие оно увеличивается примерно на 0,10 миллиметров, и при установке гильзы получается монтажный зазор величиной от 0,15 до 0,20 миллиметров. Гильзы должны быть установлены быстро и за один ход. При установке в блок цилиндров гильза должна провалиться в основное отверстие под собственным весом, при этом она может несколько отскочить.

Поэтому гильзу следует сразу дожать с помощью куска дерева, чтобы она не осталась в положении отскока. Как только выравниваются температура гильзы и отверстия она сразу сядет жёстко. Если гильза сядет жёстко в неправильном положении, то процесс прошёл неверно и должен быть повторён. [4] После установки гильзы и выверки блока цилиндров он подвергается торцеванию шлифовке. Слой удаляемого материала должен быть 0,1 мм для обеспечения полной плоскости разъёма блока цилиндров.

.2 Патентно-информационный поиск и анализ

Справка о результатах патентных исследований по теме курсовой работы.

Цель патентных исследований - установление уровня техники.

. Задание на проведение патентного поиска.

Предмет поиска: способы обработки поверхностей, оптико-фокусные устройства перемещения и манипуляторы лазерного луча.

Страны поиска Россия, Германия, Великобритания, ФРГ, Франция, Япония.

Глубина поиска с 1979 года по 2011 год.

.Научный руководитель Шлегель Александр Николаевич.

.Результаты проведения патентного поиска.

Таблица 2.1

Страна	Индекс МКИ	Перечень просматриваемых материалов	Выявленные аналоги
1. РФ	F02F1/20	Бюллетень изобретений 2011г	Рабочий цилиндр двигателя внутреннего сгорания № 2422659
2. РФ	С21D1/09	Бюллетень изобретений 1986	Способ термической обработки металлических изделий № 1479526
3. РФ	F02F1/18	Бюллетень изобретений 1997	Способ изготовления гильзы цилиндра двигателя внутреннего сгорания №2084673
4. РФ	С21D1/09	Бюллетень изобретений 1997	Способ лазерной обработки внутренних поверхностей отверстий № 1611946

 

Рабочий цилиндр двигателя внутреннего сгорания №2422659

Изобретение относится к машиностроению, точнее к двигателестроению. Рабочий цилиндр включает гильзу и поршень с поршневыми кольцами, взаимодействующими с внутренней поверхностью гильзы. Изобретение предусматривает снабжение внутренней поверхности гильзы направляющими выступами, образованными модифицированным материалом поверхностного слоя с увеличенным удельным объемом на участках поверхности, размещаемыми в виде многозаходной спирали, и капиллярной структурой, располагаемой между спиралями направляющих выступов. Изобретение предусматривает также выполнение эффективного гидравлического радиуса капилляров в структуре в пределах (1,3-3,5) от высоты направляющих выступов. Такое выполнение снизит трение и износ.

Изобретение относится к области машиностроения, точнее к двигателестроению, и может быть использовано для повышения ресурсных характеристик двигателя путем одновременной оптимизации таких рабочих характеристик, как кпд, трение, теплонапряженность и износ. Известен рабочий цилиндр двигателя внутреннего сгорания, содержащий гильзу и поршень с поршневыми кольцами (см., например, В.И.Анохин. Отечественные автомобили. - М.: Машиностроение, 1964, стр.31).

Его недостатками являются значительные потери на трение пары поршневое кольцо - гильза и увеличенный износ гильзы, особенно при запуске двигателя («холодный» пуск), что обусловливает снижение коэффициента полезного действия двигателя и его моторесурса. Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение всех основных рабочих характеристик цилиндра, а именно повышение коэффициента полезного действия, снижение трения и износа, а также уменьшение его теплонапряженности и, следовательно, повышение моторесурса двигателя.

Указанный результат достигается тем, что в известном рабочем цилиндре, содержащем гильзу и поршень с поршневыми кольцами, внутренняя поверхность гильзы снабжена направляющими выступами термоупрочненными лазером.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где изображен фрагмент продольного разреза рабочего цилиндра двигателя внутреннего сгорания.

Рабочий цилиндр 1 двигателя внутреннего сгорания содержит гильзу 2, поршень 3 и поршневые кольца 4. Внутренняя поверхность 5 гильзы 2 снабжена направляющими выступами 6, образованными структурно модифицированным материалом поверхностного слоя на участках поверхности, размещаемыми в виде многозаходной спирали. Направляющие выступы 6 могут быть сформированы, например, с помощью лазерной обработки поверхности 5. Под действием лазерного нагрева и последующего быстрого охлаждения в поверхностном слое материала гильзы 2 глубиной 0,3-1 мм образуется структура мартенсита и ледебурита, отличающаяся помимо высокой твердости большим удельным объемом по сравнению с необработанным материалом, что и обусловливает выступание обработанного участка над исходным профилем поверхности.

Термоупрочнение применяется для повышения износостойкости гильзы рабочего цилиндра. В предлагаемом техническом решении известный признак используется по иному техническому назначению: с целью получения структуры материала с большим удельным объемом и образования капиллярной структуры.

Рис. 2.14

Способ термической обработки металлических изделий № 1479526

Изобретение относится к области термической обработки стали концентрированным источником энергии и может быть использовано в электротехнической и машиностроительной промышленности при изготовлении гильз двигателя.

Цель изобретения - повышение качества изделий путем локализации дугового разряда в зоне лазерного воздействия и увеличения глубины упрочненного слоя.

Сущность изобретения заключается в том, что согласно способу термообработки металлических изделий, при котором на изделие наносят поглощающее покрытие и осуществляют лазерно-дуговое воздействие с образованием ионизированных паров вещества в зоне обработки.

Формула изобретения

Способ термической обработки металлических изделий, включающий нанесение поглощающего покрытия с заданной электропроводностью, лазерное воздействие и дуговой разряд с образованием ионизированных паров вещества покрытия, отличающийся тем, что, с целью повышения качества путем локализации дугового разряда в зоне лазерного воздействия и увеличения глубины упрочненного слоя, покрытие наносят с электропроводностью р_тв, покрытия в твердом состоянии вне зоны лазерно-дугового воздействия р_пл.

Способ изготовления гильзы цилиндра двигателя внутреннего сгорания № 2084673

Изобретение относится к области технологических процессов изготовления деталей машин, в частности гильз цилиндров ДВС.

Сущность изобретения: после предварительной механической обработки гильзы производят ее термическую обработку. Последнюю выполняют путем ее нагрева для закалки. Для этого перед нагревом гильзы на участок 13 ее внутренней поверхности длиной l₁, соответствующей зоне контакта гильзы с поршнем, и на участке 14 ее наружной поверхности длиной l₂, соответствующей зоне контакта гильзы с рубашкой охлаждения, наносят поглощающее покрытие, которое затем высушивают, и охлаждают гильзу до температуры 20-30 ^оС. После этого нагревают участок 13 гильзы, для чего от источника 1 направляют пучок 2 лазерного излучения на зеркало 3, находящееся в положении 1 и отражающее этот пучок параллельно образующей гильзы 4 на зеркало 5, расположенное внутри гильзы и предназначенное для поворота пучка лазерного излучения и направления его на участок 13 перпендикулярно ему. При этом гильзу или пучок одновременно перемещают продольно и вращают для получения необходимых зон нагрева. После проведения термической обработки внутренней поверхности гильзы зеркала 3 и 5 перемещают из положения 1 в положение 2 и производят нагрев участка 14 наружной поверхности гильзы пучков лазерного излучения, перемещая и/или вращая гильзу или пучок аналогично тому, как это было указано для обработки с внутренней и наружной поверхности. После термической обработки с внутренней и наружной поверхностей гильзы удаляют поглощающее покрытие и производят окончательную механическую обработку.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где изображена гильза рабочего цилиндра двигателя внутреннего сгорания.

Рис. 2.15

Способ лазерной обработки внутренних поверхностей отверстий № 1611946

Изобретение относится к лазерной обработке и может быть использовано при термической обработке внутренних поверхностей малого диаметра в изделиях из инструментальных сталей, работающих на износ.

Цель изобретения - расширение технологических возможностей за счет обработки отверстий малого диаметра. Использование способа обеспечивает возможность обработки внутренней поверхности отверстий малого диаметра и обработки глухих отверстий.

Упрочнение глухих отверстий в стали У10, прошедшей стандартную термообработку диаметром 2 мм на глубину 2 мм, проводят расходящимся лазерным пучком, падающим соосно обрабатываемому отверстию с помощью оптических элементов, расположенных вне отверстия.

Это позволяет получить на обрабатываемой поверхности упрочненную зону в виде кольца, ширина которого зависит от параметров линзы, диаметра обрабатываемого отверстия и мощности лазерного источника. Поэтому упрочняющей обработке могут подвергаться внутренние поверхности отверстий малых диаметров, в которые невозможно поместить оптический элемент, а также глухие отверстия.

Рис. 2.16

Вследствие поступательного перемещения линзы вдоль оси распространения пучка лазерных лучей производится увеличение ширины упрочненной поверхности. На чертеже изображена схема фокусировки лазерного пучка в пространстве при упрочнении. Пучок лазерных лучей 1 фокусируется короткофокусной линзой 2 на внутреннюю поверхность 3 отверстия. Линза 1 с фокусным расстоянием f устанавливается на высоте Н от плоскости обрабатываемого отверстия. Пучок лазерных лучей 1 поглощается внутренней поверхностью 3, в результате происходит образование закаленной зоны шириной z. Проводят лазерную обработку внутренней поверхности отверстий диаметром 2 мм на глубину 2 мм. Отверстия просверлены в вырубном штампе, изготовленном из стали У10, прошедшей стандартную термообработку. Лазерную обработку осуществляют на технологической установке с максимальной энергией в импульсе 60 Дж и длительностью импульса 5 мс.

2.2.1 Предлагаемый способ решения поставленной задачи

Патентно-информационный поиск и анализ показали, что существует большое число способов и устройств для лазерного поверхностного термоупрочнения в различных отраслях промышленности.

Предлагается разработать автоматический комплекс, который сможет в автоматическом режиме осуществлять лазерное термоупрочнение сухих гильз цилиндров. Это значительно поможет сократить вспомогательное время, тем самым увеличить производительность и снизить себестоимость.

Данное устройство состоит из волоконного лазера ЛС-3-К IРG Рнотоniсs, чиллера IРG Рнотоniсs, промышленного робота Fаnuс 710iС/50, системы управления Fаnuс 710iС/50 R-30iА, оптической головки FLW-D50, компрессора Атlаs Сорсо, пульта управления FАNUС iРеndаnт Тоuсн, видеокамеры, усилителя давления VВА43А-F04, а также манипулятора для поворота зеркала на базе двигателя с полым ротором, который будет спроектирован в ходе работы.

3. Технологическая часть

.1 Методы упрочения рабочей поверхности гильз

На данный момент упрочняют изношенные поверхности самыми разными способами. Одним из главных средств улучшения качества стальных деталей - повышения их прочности, твёрдости и износостойкости - является поверхностное упрочнение. Это упрочнение поверхностного слоя детали за счет изменения его химического состояния или структуры. Упрочнение поверхности может быть достигнуто: химико-термической, плазменной, лазерной обработкой и др.

Метод химико-термической обработки заключается в насыщении поверхности углеродом, азотом, хромом, бромом и др. элементами. При введении в поверхностный слой хрома, кремния, алюминия и др. элементов можно придать изделию устойчивость против коррозии, жаростойкость, кислотоупорность.

В промышленности распространены такие виды химико-термической обработки:

цементация - насыщение углеродом;

азотирование - насыщение азотом;

цианирование - одновременное насыщение углеродом и азотом;

диффузионная металлизация - насыщение различными элементами (кроме углерода и азота), например, хромом, бромом, алюминием и другими.

Азотированием достигается повышение твердости (40НRС), износо- и коррозионостойкость рабочей поверхности гильз за счет образования в ней карбонитридной фазы, которая имеет достаточную пластичность и становится рабочим элементом упрочненного слооя. Но, упрочненный азотированием слой плохо прирабатывается, выкрашивается в процессе эксплуатации, шероховатость поверхности ухудшается до R_а=0,63…2,5 мкм. Поэтому упрочнение азотированием не рекомендуется для двигателей, работающих в запыленных карьерах. Каждый из этих способов имеет свои особенности, преимущества и недостатки:

− малая глубина внедрения в основной материал (0,3-0,35 мм);

− поверхностный слой не может длительное время противостоять высоким нагрузкам.

Другим способом упрочения - является борированиа, это насыщение поверхностного слоя металлических изделий бором. Применяют с целью повышения поверхностной твердости изделий, их износостойкости, реже - коррозионной стойкости и теплостойкости. Борированию подвергают поверхности изделий из железа, сплавов на его основе, а также тугоплавких металлов, используя явление диффузии. Различают борирование твердое, жидкое, газовое. Борирование вызывает появление в поверхностных слоях изделий остаточных снимающих напряжений до 50 - 100 кгс/мм² , повышает их износостойкость в 5 - 10 раз.

Углеродистых и низколегированных сталей. Коррозионная усталостная прочность изделий из углеродистых сталей увеличивается вдвое и более. Недостаток - повышенная хрупкость боридов; её снижают, вводя в реакционную смесь небольшое количество меди, алюминия и других металлов.

Следующим способом повышения износостойкости трущихся поверхностей детали в условиях граничного трения, основанный на использовании пластических свойств материала - является поверхностное пластическое деформирование (ППД). В результате обработки удаляются риски и микротрещины от предыдущей обработки, увеличиваются твердость, износо- коррозионостойкость поверхности, её усталостная прочность. Надо отметить, что ППД это окончательная операция и возможна как в промышленном, так и в ремонтном производстве. Роль в достижении качества поверхности играет величина силы воздействия на обрабатываемую поверхность, число ходов инструмента, подбор деформирующего элемента.

Широко применяется метод упрочнения гильз цилиндров ППД с одновременным нанесением антифрикционного покрытия. Т.к. позволяет: повысить ресурс работы деталей ЦПГ в 1,9-2,6 раза; ускорить приработку в паре гильза - кольцо до 2 раз; сократить расход топлива; уменьшить коэффициент трения до 30%; повысить в 1,8-5,0 раз износостойкость рабочей поверхности гильзы; подвергать обработке только её верхнюю наиболее изнашиваемую часть. Недостаток метода - малая толщина антифрикционного слоя (до 5 мкм), что в условиях абразивного изнашивания недостаточно и вызывает другие виды износа.[19]

Также применяется метод финишного плазменного упрочнения. Сущность метода состоит в нанесении износостойкого алмазоподобного нанопокрытия при атмосферном даавлении.

Покрытие является продуктом плазмохимических реакций паров реагентов, прошедших через дуговой плазмотрон (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Установка для ФПУ

Эффект достигается за счет изменения физико-механических свойств поверхностного слоя: увеличения микротвердости, уменьшения коэффициента трения, создания сжимающих напряжений, залечивания микродефектов.

Технологический процесс финишного плазменного упрочнения проводится при атмосферном давлении и состоит из операций предварительной очистки (любым известным методом) и упрочнения обрабатываемой поверхности путем взаимного перемещения изделия и плазмотрона. Скорость перемещения - 1-10 мм/с, расстояние между плазмотроном и изделием - 10-15 мм, толщина покрытия - 0,5-3 мкм. Температура нагрева деталей не превышает 100 - 150 °С. Параметры шероховатости поверхности не изменяются.

Данная технология применяется для упрочнения внутренней поверхности гильзы цилиндра после расточки под ремонтный размер.

Преимущества перед известными аналогами:

− повышена износостойкость гильз цилиндров на 25-37 %,

− снижены вредные выбросы на 15-20 % [19]

Обоснование указанных методов упрочнения рабочей поверхности гильз цилиндров двигателя говорит о том, что для их обработки необходимо выбирать оптимальные методы упрочнения, которые позволяют придать требуемое качество.

.2 Лазерная обработка

Лазерный луч позволяет упрочнять любые минимальные локальные участки деталей, тонкостенные ажурные нежесткие детали, широчайшую номенклатуру материалов.

В данном случае речь пойдет о более новой и молодой технологии лазерной обработки поверхностей деталей. Лазерная технология обеспечивает повышение производительности труда, точности и качества обработки, представляет практически безотходную технологию, удовлетворяющую требованиям по защите окружающей среды. Большинство процессов основывается на тепловом воздействии лазерного излучения на непрозрачные среды. Воздействие луча лазера можно условно разделить на несколько характерных стадий:

поглощение светового потока и передача его энергии тепловым колебаниям решетки твердого тела;

нагревание вещества без его разрушения;

развитие испарения вещества в зоне воздействия луча лазера и разлёт продуктов разрушения;

остывания вещества после окончания действия лазерного излучения.

Лазерное поверхностное термоупрочнение металлических деталей − перспективный технологический процесс, повышающий ресурс работы деталей машин и инструмента, относится к методам поверхностной закалки. Применяется только в отношении металлических материалов, поддающихся закалке. Это стали и чугуны с содержанием углерода более 0,2 процентов.[11]

Упрочнение осуществляется путем обработки детали лазерным лучом, который движется по кромке детали, на глубине, в среднем, от 0,3 до 1 миллиметра и воздействуя на поверхность металла, вызывает скоростной нагрев поверхностного слоя, а изделие остается практически холодным. Скорость охлаждения при температуре нагрева ниже температуры плавления составляет (5-10)·103 ⁰С/с, при кристаллизации из жидкого слоя -106 ⁰С/с. После прекращения действия излучения, тепло с высокой скоростью отводится в глубь металла, происходит закалка поверхностного слоя.

Поглощенная световая энергия передается от зоны воздействия «холодным» слоям с помощью различных механизмов теплопроводности. В результате на поверхности стали или чугуна образуются специфические структуры с повышенной твердостью и износостойкостью, которые невозможно получить традиционными способами термообработки. Эта структура обладает повышенной дисперсностью блоков и плотностью дислокаций, имеет микротвердость, в 1−1¸5 раз превышающую микротвердость структуры основы.

Лазерная термообработка может проводиться с оплавлением и без оплавления поверхностного слоя. Чаще всего используют обработку без оплавления с сохранением исходной шероховатости Rа=0,16- 1,25мкм. Глубина упрочненной зоны на образцах металла после обработки без оплавления поверхности обычно не превышает 0,2 мм, и до 2,0-2,5 мм с минимальным оплавлением. Этого достаточно, чтобы повысить стойкость изделий более чем в 2,5 раза. Лазерное термическое упрочнение с оплавлением поверхности отличается от упрочнения без фазового перехода большими размерами зоны лазерного воздействия, более выраженной неоднородностью структуры поверхностного слоя. Структура в последнем случае состоит как минимум из трех слоев.[17]

Этот тип обработки на данный момент мало изучен, но он позволяет добиваться уровня благоприятных сжимающих остаточных напряжений около 1 ГПа в поверхностном слое глубиной порядка 100…200 мкм.

Между оплавленным слоем и следующей за ним зоной термического влияния существует четкая граница. Зона термического влияния состоит из белого и переходного слоев. Белый слой представляет собой светлую не травящуюся полосу, так как имеет высокую концентрацию азота за счет высокотемпературного насыщения азотом воздуха. Из-за высокой скорости охлаждения эта зона имеет закаленную структуру, ее строение зависит от концентрации углеводорода. В закаленном слое технически чистого железа происходит измельчение зерна феррита, а в отдельных зернах образуется пакетный мартенсит с развитой блочной структурой, имеющей невысокую твердость. Второй слой зоны термического влияния является переходным к исходной структуре.

Недостатком лазерного упрочнения в режиме оплавления является нарушение исходной шероховатости, что требует проведения финишной механической обработки. Этот вид упрочнения используют на операциях, предшествующих финишной обработке.

Производительность лазерного упрочнения определяется по формуле:

G_{лаз.терм.} = К_п•V• d_о,        (3.1)

где К_п - коэффициент перекрытия; V- скорость движения луча (детали); ₀- диаметр пучка (ширина дорожки упрочнения), d₀= 1-1,5 мм. и более. [11]

Возможна обработка перекрывающимися и неперекрывающимися дорожками. При наложении дорожки упрочнения происходит частичный нагрев предыдущей упрочненной зоны, что может привести к отпуску и снижению твердости. При обработке неперекрывающимися дорожками зазор между ними составляет 10-30% от площади обрабатываемой поверхности, происходит уменьшение износа в 2-3 раза.

Лазерная термическая обработка позволяет повысить твердость и износостойкость упрочняемых материалов. Твердость зависит от концентрации углерода и легирующих элементов в стали. Методом лазерной термической обработки хорошо упрочняют средне- и высоко- легированные углеродистые и инструментальные стали. Стали с низким содержанием углерода и высокопрочные низколегированные при лазерной термической обработке упрочняются плохо. Лазерная термическая обработка практически не влияет на предел прочности и предел текучести сталей.

Преимущества лазерного термоупрочнения:

− локальность поверхностного процесса, что исключает изменение как макро- так и микрогеометрии обрабатываемых деталей;

− упрочнение лучом лазера осуществляется без оплавления поверхности - это исключает изменение шероховатости и необходимость в последующей механообработке (шлифовка, полировка и т.д.);

− возможность упрочнения поверхностей любой сложности и геометрии;

− обработку отдельных участков можно проводить и после сборки конструкции или узла;

− высокая степень автоматизации;

− экологическая чистота;

− высокая производительность.

Наряду с видимыми преимуществами этот метод имеет ряд недостатков:

− низкий КПД преобразования электрической энергии в лазерное излучение;

− высокие требования к качеству обрабатываемой поверхности;

− высокая стоимость лазерных установок и их низкая надежность.[9]

Сфера применения лазерного термоупрочнения весьма широка. Основные отрасли производства, где используется лазерная технология: автомобильная, машиностроение и станкостроение, электронная, судостроительная, авиакосмическая, в инструментальном производстве, в моторостроении. Остро нуждается в лазерном оборудовании здравоохранение. Без специальной лазерной техники невозможна современная армия.

Лазерное упрочнение применяется для обработки коленчатых валов двигателей, гильз цилиндров, зубчатых колес, поршневых пальцев, деталей химического, нефтяного и бурового оборудования, быстроизнашивающихся деталей из сплавов на основе алюминия.[13] Без широкого использования таких технологий невозможно функционирование промышленности.

В данном проекте представлен роботизированный комплекс для обработки материалов лазерным лучом.

.3 Параметры системы для реализации технологического процесса

Уже сегодня степень насыщения лазерным оборудованием для всех передовых промышленных стран стала важным критерием индустриального развития. Все более популярным решением становится использование лазеров для термоупрочнения металлов, где источником теплоты служит лазерный луч, что обеспечивает высокое качество обработки поверхностей материалов. Для лазерной технологии применяют лазерные установки всех видов.

Рассмотрим устройство и принцип работы роботизированного лазерного комплекса на базе волоконного лазера ЛС-3-К.

РЛТК состоит из следующих узлов и элементов (рис.3.2):

. Сварочный стол

. Иннтербиевый волоконный лазер ЛС-3-К.

. Устройство водяного охлаждения лазера - чиллер.

. Манипулятор М-710iС/50 от компании Fаnuс.

. Криогенные сосуды - криоцилиндры

. Двухосевой наклонно-поворотный позиционер.

. Контроллер R-30i А.

. Пульт управления роботом.

. Устройство подачи сжатого воздуха - компрессор.

. Вертикальные воздухосборники (воздушные ресиверы).

. Усилитель давления.

Рис.3.2. Роботизированный лазерный сварочный комплекс на базе волоконного лазера ЛС-3

3.3.1 Устройство и работа оборудования комплекса. Назначение

. Иннтербиевый волоконный лазер ЛС-3-К:

Иннтербиевый волоконный лазер (рис. 3.3) - инструмент обработки материала. Основная модель - ЛС-3-К , оснащена волоконным лазером с длинной волны 1,07 мкм и мощностью 1-3 кВт. Максимальная длина волны составляет 1,08 мкм.

Рис. 3.3. Лазер ЛС-3-К IРG Рнотоniсs: 1 - кнопка старт; 2 - кнопка аварийного выключения; 3 - кнопка блокировки; 4 - кнопка выключения (тест/работа); 5 -кнопка излучения

Это обеспечивает лучшее взаимодействие с большинством металлов и сплавов, повышая скорость обработки и снижая требования к уровню мощности лазера.

Волоконные лазеры отличает высокое качество выходных пучков, поэтому достигается большая плотность мощности в пятне, необходимая для скоростного высокоэффективного термоупрочнения. Излучение волоконных лазеров передается к месту обработки по гибкому волоконному кабелю нужной длины, имеющему прочную защитную оболочку. КПД лазеров составляет 20-30%, волоконные лазеры не имеют расходных элементов и материалов (ламп, газов и др.), не требуют настройки узлов, что обеспечивает низкие эксплуатационные расходы. Основные характеристики лазера рассмотрены в таблице 3.1

Таблица 3.1 Характеристика лазера ЛС-3-К

Основные технические данные:
Номинальная выходная мощность	1 - 3 кВт
Длина волны излучения	Минимальная - 1065 нм
	Типовая - 1070 нм
	Максимальная - 1080 нм
Время включения/ выключения (при номинальной выходной мощности)
	Максимальное - 100 мкс
Характеристики оптического выхода:
Длина выходного волоконного кабеля	20 м
Диаметр выходного волоконного кабеля	12 мм
Радиус изгиба выходного волоконного кабеля:
- при работе	200 мм
- в нерабочем состоянии	100 мм
Выходной коннектор	QВН
Качество выходного пучка (на выходе коннектора)	До 2,5 мм*мрад
Общие характеристики лазера:
Напряжение питания	380 20 В/ 3ф-50Гц
Параллельный интерфейс «Внешнее управление»	Управление от ЧПУ
Диапазон рабочей температуры (при отсутствии воды в тракте охлаждения)	+15 - +40 0С
Влажность	До 90 %

. Устройство водяного охлаждения лазера - чиллер:

Чиллер (рис. 3.4)(табл.3.2) - устройство водяного охлаждения лазера - обеспечивает проток воды в элементах лазера для съема выделяемого тепла и поддерживает температуру лазера в нужном диапазоне, а так же охлаждает жидкость, которая циркулирует через двигатели координатного стола. Для этого чиллер оснащён водяным радиатором (по нему циркулирует охлаждающая жидкость), системой принудительного обдува радиатора, температурными датчиками и управляющим блоком. Чиллер точно задает температуру охлаждающей жидкости, при этом будет само регулировать температуру, выдерживая заданный уровень независимо от нагрузки на лазерный станок.

Таблица 3.2 Характеристика Чиллера

Тип хладагента	R407С
Номинальная холодопроизводительность	19,4 кВт
Электропитание	400 В / 3ф-50 (60) Гц

Рис. 3.4. Чиллер IРG Рнотоniсs: 1 - кнопка включения / отключения; 2 - индикатор рабочего состояния; 3 - шина Саn Ваs

. Промышленный робот Fаnuс Rовотiсs М-710iС/50:

Промышленный робот М-710iС/50 это универсальное устройство с высоким классом защиты, с воздушным охлаждением электродвигателей. Может монтироваться как на полу, так и на стене, портале и под углом. Инновационная серия легковесных роботов М-710 предназначена для работы с грузами среднего веса от 20 до 50 кг. Компактное запястье, жесткая конструкция руки, узкая база и зона досягаемости до 3,1 м делают их незаменимыми для широкого ряда задач, высокие угловые скорости осей делают роботы чрезвычайно быстрыми. Они также отличаются высокой грузоподъемностью и прекрасными инерционными показателями, благодаря чему все модели могут применяться для выполнения широкого спектра операций. (рис.3.5)

При включении система запускается, выполняется внутренняя обработка, т.е «запуск из холодного состояния» или «запуск из горячего состояния», затем запускается система. Шарнирная форма движения перемещает инструмент произвольно между двумя заданными точками. Шарнир позволяет вращаться вокруг одной оси. Оси и руки робота приводятся в движение серводвигателями. Оси J1, J2 и J3 - это основные оси.

Рис.3.5. Fаnuс 710i/50 С

Оси запястья используются для перемещения рабочего органа (инструмента), установленного на фланце запястья. Запястье может вращаться относительно одной оси запястья, а рабочий орган - вращаться относительно другой оси запястья.

Режим движения шарнира - основной режим перемещения робота в заданное положение. Робот приходит в ускоренное движение вдоль или вокруг всех осей, перемещается с заданной скоростью подачи, замедляется и останавливается одновременно по всем осям. Траектория перемещения обычно не линейна. Ориентация перемещаемого инструмента не контролируется. Диапазон движений можно изменять. Сервоусилитель управляет перемещением всех осей робота, включая все дополнительные оси.

Робот перемещается согласно толчковой подаче, заданной на пульте обучения, или команде перемещения, заданной в программе. При толчковой подаче шарнира робот перемещается независимо относительно каждой оси в каждой системе координат шарнира. Для поворота вокруг каждой оси используется индивидуальный привод. Пневматические и электрические соединения выведены на локоть манипулятора, так исключается возможность столкновения кабелей и шлангов с рукой манипулятора или окружением робота.

Робот имеет устройства аварийной остановки:

• две кнопки «емеrgеnсy sтор» (аварийной остановки) (установленные на панели оператора и подвесном пульте обучения).

• внешняя кнопка аварийной остановки (входной сигнал). Если отпустить переключатель

аварийной блокировки, когда выключатель подвесного пульта обучения включен, робот немедленно остановится. Дополнительно, в целях повышения безопасности диапазон движений робота ограничивается с помощью механических ограничителей и ограничивающих выключателей. Основные характеристики робота рассмотрены в таблице 3.3

Талица 3.3 Характеристики робота Fаnuс 710i/50 С

Наименование параметров	Значения
	Заданные	Фактические
Тип	Шарнирно - сочлененный
Количество осей	6 осей (J1, J2, J3, J4, J5, J6)
Установка	На полу, на потолке, на стене и под углом
· Класс защиты	Корпус IР54 стандартно запястье и рука J3 - IР54
· Контроллер	R-30iА
· Тип привода	Электрический сервопривод, с сер-водвигателем переменного тока
· Максимальная скорость движения осей	ось J1 − 175°/с; ось J2 − 175°/с;  ось J3 − 175°/с; ось J4 − 250°/с; ось J5 − 250°/с; ось J6 − 355°/с.
Диапазон перемещений	ось J1 − 360°(от -180° до +180°); ось J2 − 225°(от -112,5° до +112,5°);  ось J3 − 440°(от -220° до +220°); ось J4 − 720°(от -360° до +360°); ось J5 − 250°(от -125° до +125°); ось J6 − 720°(от -360° до +360°).
Момент, Нм/кгм. кв
Ось 4	206/28	206/28
Ось 5	206/28	206/28
Ось 6	127/11	127/11
Максимальная нагрузка на запястье, кг.	50	50
Максимальная нагрузка на корпус оси J3 , кг.	15	15
Точность позиционирования, мм	±0.07	±0.07
Вес механического блока, кг	560	560
Уровень акустического шума при макс. нагрузке и скорости, дБ	71,3	71,3
Радиус досягаемости, мм	2050	2050
Условия эксплуатации:
температура воздуха, С	≤ 45	≤ 45
влажность воздуха, %	≤ 75	≤ 75
- вибрация, Гц	≤ 0,5	≤ 0,5
Максимальная нагрузка на запястье, кг.	50	50

Пространственная ориентация робота определяются координатами х, y и z от исходного положения декартовой системы координат рабочего пространства до исходного положения (точки вершины инструмента) декартовой системы координат инструмента, и угловыми перемещениями w, р и r декартовой системы координат инструмента относительно вращения осей Х, Y и Z декартовой системы координат рабочего пространства (рис.3.6).

Рис. 3.6. Основные оси и оси запястья робота

J1-направление вращения оси 1- Поясное вращение вокруг вертикальной оси; J2-направление вращения оси 2 - Плечевой сгиб ( вращение вокруг горизонтальной оси ); J3-направление вращения оси 3 - Локтевой сгиб (второе вращение вокруг горизонтальной оси ); J4-направление вращения оси 4 - Поворот руки (вращение); J5-направление вращения оси 5 - Опускание запястья (вращение вверх или вниз); J6-направление вращения оси 6

Промышленный робот серии М-710iС - это специализированный робот для термоупрочнения поверхности металла. Используется в качестве генератора мощного когерентного инфракрасного излучения, отсюда снижается влияние теплового воздействия на поверхность детали.

Точность и скорость перемещения робота позволяет использовать его также для дуговой сварки, плазменной, лазерной и гидроабразивной резки.

Широкий диапазон применения позволяет использовать робот в составе технологического оборудования на предприятиях различных отраслей промышленности.

4. Криоцилиндры:

Криоцилиндры (газификаторы малого объема со встроенным испарителем) (рис.3.7) - это криогенные сосуды объемом менее 500 л, выполненные из нержавеющей стали, оснащенные экранно-вакуумной изоляцией и встроенным продукционным испарителем.

Рис. 3.7. Криоцилиндры

ГХК 0,195/2,0-10 (табл.3.4) - Представляет собой вертикальный криогенный цилиндр (криоцилиндр) для хранения сжиженных газов. Газификатор имеет встроенный продукционный испаритель, производительностью 10 н. м. куб./ час.

Таблица 3.4 Технические характеристики

Модель	ГХК 0,195/2,0-10
Объем полный, л	195
Объем продукта, л	180
Диаметр, мм	505
Высота	1700
Масса, не более кг	135
Рабочее давление, атм	20
Производительность по газу, нм3/час
О2,N2,Аr	10
Количество заливаемого продукта, кг
Кислород	204
Азот	145
Аргон	250
Потери хранения в сутки, %	<2%

Преимущества криоцилиндров перед баллонами:

·   применение криоцилиндров дает возможность гарантированно получать чистый газ того же качества, как и у сжиженного газа, заправленного в газификатор, в то время как в стальном баллоне всегда присутствуют влага, окислы металлов и прочие загрязняющие примеси, которые ухудшают качество сжатого газа;

·        устройство криоцилиндра во время его эксплуатации делает невозможным попадание загрязняющих примесей и влаги из внешней среды и присоединяемых трубопроводов;

·        внутренний сосуд и трубопроводы криоцилиндра изготовлены из коррозионностойких материалов (нержавеющая сталь, латунь);

·        криоцилиндры безопаснее и удобнее в эксплуатации, по сравнению с баллонами высокого давления и баллонными сборками или моноблоками;

·        рабочее давление в криоцилиндре в 10 раз меньше чем в стальном баллоне;

·        использование криоцилиндров позволяет значительно сократить расходы на приобретение и доставку газов;

·        стоимость сжиженных газов значительно меньше стоимости сжатых газов;

·        применение криоцилиндров позволяет увеличить объем хранимого газа при этом сократить площадь, занимаемую баллонами и уменьшить время на отключение-подключение к газовой сети.

·        криоцилиндр занимает примерно в 15 раз меньше места, чем заменяемое им количество баллонов.

·        срок службы криоцилиндра 15 лет.

5. Двухосевой наклонно - поворотный позиционер:

Для точного позиционирования деталей и изделий, роботы FАNUС отлично сочетаются с легко встраиваемыми двухосевыми устройствами позиционирования, управляются электрическим сервоприводом с двигателем переменного тока. Они легко интегрируются, не ограничивая доступ к детали и поддерживая высокотехнологичные функции программного обеспечения, т.е. координированное перемещение, позволяющее выдерживать постоянные скорости перемещения по поверхности. (рис. 3.8)(табл. 3.5)

Рис. 3.8. Двухосевой наклонно- поворотный позиционер

Его приводы являются дополнительными осями робота, синхронизируясь с ними для выполнения сложных задач.

Планшайба позиционера предполагает установку оснастки, имея соответствующие отверстия. Для возможности реализации подвода управляющих сигналов, а также воздуха к периферийным блокам оснастки в конструкции предусмотрены интегрированные коммуникации, что позволяет облегчить задачу интегратору в проектировании эргономичной оснастки.

Таблица 3.5 Характеристики позиционера

Максимальная нагрузка, кг	500
Количество осей, шт.	2
Повторяемость, мм	±0,07
Установка	напольная
Вес поворотного позиционера, кг	290
Диапазон перемещений	ось J1 − 270° (от -135° до +135°); ось J2 - от -∞° до +∞° (возможность бесконечного вращения)
Максимальная скорость	ось J1 − 120°/с; ось J2 − 190°/с
Допустимый момент нагрузки на ось	ось J1 − 1764 Н ось J2 − 686 Нм
Допустимая инерция нагрузки на ось	ось J1 − 300 кгм2; ось J2 − 100 кгм2
Условия эксплуатации:
температура воздуха	от 0 до + 45°С
влажность воздуха	не более 75%
вибрация	не более 0,5 G
Тип привода	электрический сервопривод с двигателем переменного тока

. Контроллер R-30iА:

Важной составляющей является система управления, выполняющая такие задачи, как задачи управления и задачи функционирования комплекса.

Для управления роботами серии М-710iС применяется контроллер FАNUС R-30iА, позволяющий использовать подключение дополнительных осей (не более двух). Контроллер робота включает блок питания, блок интерфейса пользователя, блок управления перемещением, блок памяти и блок ввода-вывода.(рис. 3.9)

Блок ввод-вывод используется для подключения измерительных приборов и исполнительных механизмов к системе управления технологическим процессом. К узлам блока ввода-вывода подключаются датчики, измеряющие необходимые параметры технологического процесса, исполнительные механизмы, с помощью них система управления может влиять на ход процесса.

Рис. 3.9. Контроллер R-30i А

Контроллер робота имеет следующие четыре способа запуска (режима запуска):

Первоначальный запуск. Все программы удаляются и выполняется сброс всех параметров настройки на их стандартные значения.

Контролируемый запуск. Выполняется автоматически после контролируемого запуска. Меню контролируемого запуска нельзя использовать для управления роботом. Однако его можно использовать для изменения системной переменной и запуск из холодного состояния.

Запуск из холодного состояния. Используется для выполнения нормального включение питания при выключенном восстановлении после сбоя питания. Выполняется аварийное прекращение программы, и все выходные сигналы выключаются. По окончании запуска из холодного состояния робота можно использовать. Запуск из холодного состояния можно выполнить при включенном восстановлении после сбоя питания, если при включении питания сделана необходимая настройка.

Запуск из горячего состояния. Используется для выполнения нормального включения питания при включенном восстановлении после сбоя питания. При включении контроллера выходные сигналы восстанавливаются в состояние, существовавшее перед последним выключением питания. По окончании запуска из горячего состояния робота можно использовать.

Какой режим используется, зависит от того, включен ли запуск из горячего состояния или выключен. Первоначальный и контролируемый запуск используются во время технического обслуживания. Эти режимы не будут использоваться в нормальном режиме эксплуатации.

Питание системы управления осуществляется от трехфазной сети переменного тока напряжением 380 - 400 В ± 10 %.

Рис.3.10. Блок-схема R-30iА

В случае отключения питания программа робота начинает функционировать вновь намного быстрее. Это позволяет осуществить безопасный запуск и продолжить производство после отключения питания.

Система управления может использоваться как в автономном режиме, так и быть подключенной к локальной вычислительной сети с транспортным протоколом Етнеrnет и скоростью передачи данных 10 или 100 Мбит/сек. Система управления имеет встроенный язык программирования, разработанный по стандарту ISО 6983-1. Потребляет минимум электроэнергии и выпускается в четырех различных корпусах, что позволяет эффективно использовать производственные площади.

Основные технические характеристики системы управления:

♦ Количество осей - 8 (6 основных и 2 контролируемые дополнительные оси).

♦ Возможность управлять 40 осями одновременно (разделенными на 5 групп, одна группа может объединять 9 осей), например 4 робота + 4 группы дополнительных осей (позиционирующие устройства для дуговой сварки, линейные оси, захваты с сервомоторами...)

♦ 14" ЖКИ монитор с разрешением 1024х768 точек

♦ Промышленная клавиатура с сенсорным полем для управления экранным указателем.

♦ Оптически изолированный интерфейс RS-232/485 для связи с дополнительным дополнительным оборудованием.

♦ Порт Етнеrnет 10/100 Мбит с коннектором RJ-45. Возможность подключения сменных носителей информации (USВ 3.0 - 1 шт.)

♦ Передача данных, подключение датчиков.

♦ Имеет стандартный набор предохранителей (для контроллера).

♦ Питание напряжением переменного тока 380 - 400 В

♦ Питание электромоторов ‒ напряжение 68 В постоянного и (или) переменного тока, но в режиме торможения напряжение может достигать 90 В.

♦ Допустимые колебания напряжения - +10% и -15%

♦ Система управления сохраняет работоспособность при следующих условиях эксплуатации: температура окружающего воздуха от 0°С до 45°С; относительная влажность воздуха от 30% до 95%, без конденсата, агрессивные примеси должны отсутствовать.

. Пульт управления FАNUС iРеndаnт Тоuсн:

Легкий и эргономичный сенсорный экран FАNUС iРеndаnт Тоuсн имеет интуитивный графический пользовательский интерфейс, в котором без каких-либо сложностей смогут программировать как специалисты, так и операторы на производстве.АNUС iРеndаnт Тоuсн отличается интуитивно понятным интерфейсом, высокой скоростью работы и низким энергопотреблением. Наряду с эргономичным дизайном и большим цветным сенсорным экраном, он имеет функциональные кнопки для управления седьмой и восьмой осью. На дисплее могут отображаться одно или два окна, что очень удобно в многозадачном режиме. На дисплее также отображается трехмерная графика, более наглядно визуализирующая шаги программы для оператора по сравнению с двухмерной графикой.

Пульт обучения контроллера используется для создания или корректировки программы.

Выносной пульт управления имеет в своем составе (рис.3.11):

1. Графический цветной экран с функцией касания.

2. Пульт обучения подключен кабелем к печатной плате в контроллере.

3. Порт USВ, а также 6D джойстик.

. Дополнительный разъем для подключения мышки/клавиатуры.

. Промышленную алфавитно - цифровую клавиатуру с 61 клавишей (Четыре клавиши предназначены для монопольного использования каждым приложением).

6. Имеет функциональные кнопки для управления седьмой и восьмой осью.

. Кнопку аварийной блокировки, используется как включающее устройство. Если пульт обучения включен, этот выключатель разрешает перемещение робота только если оператор нажимает переключатель аварийной блокировки. Если отпустить этот переключатель, робот немедленно остановится.

. Кнопку аварийной остановки. Используется для остановки выполняющейся программы выключения питания управления сервосистемы робота и включения тормозов робота.

. Функциональные клавиши: Выполняют конкретное действие в зависимости от отображаемого экрана.

Рис. 3.11. FАNUСiРеndаnтТоuсн 1 - клавиши управления; 2 - ключ переключения режимов работы; 3 - кнопка аварийного остановки.

Функциональные клавиши рассмотрены в таблице 3.6

Таблица 3.6 Описания клавиш управлений.

Клавиши	Описания
F1, F2, F3, F4, F5	Клавиши управления функциональной строкой
МЕNU	Вызов общего меню системы
SЕLЕСТ	Вызов списка программ
ЕDIТ	Открыть текст текущей программы
DАТА	Открыть меню параметров
FСТN	Открыть меню функций
DISР	Клавиша управления экраном
RЕSЕТ	Клавиша сброса ошибок
DIАG	Открыть окно со списком активных ошибок
НЕLР	Открыть информационное меню
+J1, -J1, +J2, -J2, +J3, -J3, +J4, -J4, +J5, -J5, +J6, -J6, +J7, -J7, +J8, -J8.	Ручное управление осями
SТЕР	Включить/отключить пошаговый режим.
НОLТ	Остановка робота в “мягком” режиме
FWD/ВWD	Ручной запуск программы вперед и назад
СООRD	Переключение режимов ручного перемещения робота
GRОUР	Переключение между управляемыми группами
+%, -%	Изменение ограничения скорости
USЕR КЕY	Программируемые клавиши

Дополнительные клавиши для управления находятся на задней крышки пульта.(рис. 3.12)

Рис. 3.12. FАNUС iРеndаnт Тоuсн: 1 - переключатель безопасности (Dеаdмаn swiтсн); 2 - место подключения USВ устройств; 3 - место подключения кабеля.

8. Компрессор:

На боковой стороне основания оси J1 и на передней стороне корпуса оси J3 у робота имеется два отверстия для подачи сжатого воздуха, шланг для подачи воздуха, подключается между механическим блоком и узлом пневматического управления. Компрессор (рис. 3.13) (таб.3.7).- устройство подачи сжатого воздуха нужной чистоты и влажности на координатный стол.

Качество производимого компрессором воздуха - размер пылевых частиц менее 0,01 мкм, содержание масла менее 0,01 мг/м³). Он необходим для работы некоторых органов стола.

Компрессор смонтирован на собственной силовой раме, имеет соединительне трубопроводы и патрубки, также одиночный компрессорный элемент с ременным приводом, полностью закрытый электродвигатель, воздушную систему охлаждения, систему маслосепарации, системы регулирования и контроля. Компрессор находится в звукоизолирующем корпусе, где смонтирован шкаф электроавтоматики. Режимы работы: нагрузка, разгрузка (холостой ход), временное отключение.

Основные особенности компрессора Атlаs Сорсо:

Полностью готовый к эксплуатации компрессор;

Шумозащитное исполнение и экологическая безопасность;

Высокий межсервисный интервал (4000 рабочих часов);

Простота монтажа и эксплуатации;

Экономичная и высоконадежная система управления и мониторинга.

Таблица 3.7 Технические характеристики компрессора Атlаs Сорсо

Модель	Атlаs Сорсо GА15РА
Ресивер со встроенным осушителем	270 л
Производительность	1,32 м3/мин
Мощность	15 кВт
Давление	13 атм.
Уровень шума	62 дБ (А)
Электропитание	380-415 В / 3ф - 50 Гц
Габаритные размеры (Д×Ш×В), см	150×71×173
Вес	405 кг

Рис. 3.13. Компрессор Атlаs Сорсо: 1 - кнопка включения / выключения; 2 - панель управления

. Ресивер:

Вертикальные воздухосборники (воздушные ресиверы) получили широкое распространение благодаря минимальной занимаемой площади. Воздухосборник вертикальный можно легко встроить в существующую пневматическую сеть подачи сжатого воздуха в удобном месте после компрессора. Воздушный ресивер подсоединяется к компрессору и пневмомагистрали посредством металлических или пластиковых труб или с помощью гибкой подводки. Ресивер со следующими характеристиками:

-    Рабочее давление - 1,0 МПа.

-       Рабочая температура среды - +80 °С.

-       Рабочая температура стенки - +100 °С.

-       Рабочая среда - воздух.

-       Вместимость 0,23 м³.

Ресивер РВ 230/10, иначе воздухосборник, находит свое применение в работе компрессора, где его функцией является выравнивание давления и накопление сжатого воздуха, поступающего на пневмоинструмент. Своей работой ресивер обеспечивает равномерный ход и сокращение запуска двигателя, поскольку уменьшается количество переходов из холостого в рабочий ритм. Ресивер укомплектован специальным краном, предназначением которого является удаление из него конденсата, образующегося при охлаждении сжатого воздуха в агрегате. РВ 230/10 имеет вертикальный формат, следовательно, для его установки требуется гораздо меньше места, чем для горизонтального.(рис. 3.14) Благодаря характеристикам качества ресивер РВ 230/10 прост и надежен в использовании. Каждый ресивер снабжен паспортом, производство и реализация продукции подтверждены сертификатом соответствия ГОСТ Р и разрешением на использование Ростехнадзором.

Рис.3.14. Ресивер РВ 230/10: 1 - фильтр; 2 - предохранительный клапан; 3 - манометр; 4 - редуктор входного давления.

10. Усилитель давления:

Усилитель давления (рис. 3.15, таб. 3.8, рис. 3.16) - предназначен для повышения давления в пневматической магистрали:

• Повышает давление в 2 ~ 4 раза;

• Встроенный регулятор давления обеспечивает постоянное давление на выходе;

• Компактная конструкция;

• Не требует электропитания;

• Управление ручное.

Рис.3.15. Усилитель давления VВА43А-F04

Основные характеристики устройства приведены в таблице 3.8

Таблица 3.8 Технические характеристики:

Модель		VВА43А
Управление		Ручное
Среда		Сжатый воздух, отфильтрованный 5 мкм, без содержания масла
Присоединительная резьба		G1/2
Присоединительная резьба пилотного порта		-
Резьба для присоединения манометра		G1/8
Рабочее давление (МПа)	на входе	0,1 - 1
	на выходе	0,2 - 1,6
Управляющее давление (МПа)		-
Испытательное давление (МПа)		2,4
Рабочая температура (°С)		2 - 50 (не допускать замерзания)
Номинальный расход воздуха (норм. л/мин)		1600
Отношение давлений		Макс. 2:1
Расход воздуха на собственные нужды		120% вторичного объемного расхода	8,6
Монтажное положение		горизонтальное

Рис.3.16. Устройство усилитель давления VВА43А-F04

. Оптическая головка:

Оптическая головка обладает следующими характеристиками:

§ Максимальная мощность лазерного излучения 3 кВт;

§  Вертикальное исполнение;

§  Фокусное расстояние фокусирующей линзы - 500 мм;

§  Фокусное расстояние коллиматора - 160 мм;

§  Коннектор - QВН;

§  Контроль температуры и загрязнения защитного стекла - в реальном масштабе времени;

§  Система защиты защитного стекла - СrоssJет;

§  Цифровая камера наблюдения - качество не ниже FULL НD, порт: НDМI;

§  Насадка для подачи защитного газа;

§  Сопло с системой подачи технологического газа в зону обработки. (рис.3.17)

Рис.3.17. Оптическая головка серии FLW-D50: 1 - модуль защитного стекла; 2 - модуль фокусирующей линзы; 3 - коллиматор; 4 - цифровая камера; 5 - кросс-джет; 6 - сопло для подачи технологического газа.

Оптическая функция состоит в формировании области высокой концентрации лучевой энергии в зоне обработки. Лазерная головка обеспечивает финишную сборку потоков лучевой энергии и других необходимых веществ.

Особенности оптической головки:

·        Позволяет упрочнение сложных составляющих;

Рис.3.18. Модуль защитного стекла: 1 - модуль защитного стекла; 2 - уплотнительная прокладка; 3 - защитное стекло; 4 - замок защитного стекла.

Рис.3.19. Фокусная линза: 1- резьбовое кольцо; 2 - уплотнительная прокладка; 3 - фокусирующая линза; 4 - модуль фокусирующей линзы.

·   Переменные параметры регулируемого процесса: диаметр пятна, температура закалки, расфокусировка, мощность излучения, параметры могут регулироваться в процессе обработки;

·        Обеспечение глубокого и качественного упрочнения благодаря контролю температуры путем изменения скорости сканирования зеркала и плавно регулируемой мощности лазера;

·        Простота настройки; регулировка процесса выполняется легко, дополнительный модуль автофокусировки позволяет изменение диаметра пятна, не изменяя рабочего расстояния.

12. Видеокамера:

Для слежения за поверхностью установлена камера, обеспечивающая функции управления процессом. Программное обеспечение по теническому зрению полностью поддерживается программой робота. Видео контроль изменяет и корректирует положения робота после перемещения или переустановки системы. Применяется цифровая НD камера ручной сборки. Особенности камеры:

Камера, установленная на роботе, может использоваться в различных положениях и вариантах;

Обработка изображения на СРU робота;

Компенсация может выполняться в 2D с учётом положения камеры;

2D Видео-контроль с использованием одной камеры в системе координат робота Х,Y,R для не перемещающихся объектов;

Калибровочный инструмент измеряет длину на заданном участке;

Благодаря системе распознавания двух- или трехмерных деталей она может определять местоположение произвольно расположенных изделий любой формы и размера и обеспечивает контроль процесса захвата;

Координаты положений показываются в системе IRVisiоn. Когда робот двигается для захвата рабочего объекта необходимо обеспечить перпендикулярное положение оптической оси камеры относительно плоскости ХУ;

Она полностью интегрирована с контроллером R-30i А;

Отличается простотой использования и высочайшей гибкостью;

Удобное управление через внешний пульт FАNUСiРеndаnтТоuсн.

Технические характеристики камеры:

Фокусное изображение и блокировка;

Прямое подключение к любому НD монитору (наличие компьютера не обязательно);

1/3 "ССD" разрешение 720Р- НD-О/Р - 60 кадров/секунду;

Встроенный кросс-генератор

40х40х45,8

3.3.2 Структура системы управления роботизированным комплексом

Система числового программного управления (СЧПУ) это функционально взаимосвязанные и взаимодействующие технические и программные средства, обеспечивающие ЧПУ станком.

Система управления включает в себя несколько элементов:

1. Система программного обеспечения ЧПУ для манипулирования

. Механическая часть самого робота

. Блок управления роботом.

Система управления манипулятором содержит команды, управляющие роботом (перемещение, поворот, скорость), подает питание для движения механической части, связывает контроллер с периферийными устройствами, принимая и передавая сигналы по кабелю канала ввода-вывода и соединительному кабелю периферийных устройств.

Система управления с учетом информации, полученной от узла связи с механизмом (который включает в себя различные датчики), должна вырабатывать управляющий сигнал на каждый привод (наклонно-поворотного стола, робота и устройств манипулирования лучом), в соответствии с заданной программой обработки.

Оператор, взаимодействуя СЧПУ робота, осуществляет режимы управления:

. Ручное управление (РУ). Оператор выдает на каждый исполнительный механизм отдельно с использованием органов управления, задающих перемещение.

2. Автоматизированное управление (АУ).

. Автоматическое управление (Ат.-У). Происходит взаимодействие со всеми уровнями управления без вмешательства человека.

Важной технической характеристикой систем ЧПУ является ее разрешающая способность, т. е. минимально возможная величина линейного и углового хода ИО станка, соответствующая одному управляющему импульсу, т. е. контролируемая в процессе управления. Большинство современных систем ЧПУ имеют дискретность 0,01 мм/импульс. Осваиваются в производстве системы с дискретностью 0,001 мм/импульс.

Рис.3.20. СЧПУ Fаnuс: 1 - 6-осевой сервоусилитель; 2 - блок аварийной остановки; 3 -сервоусилитель для позиционера; 4 - главная плата.

. Сервоусилители Fаnuс:

Серия Аlfа-i Модульные сервоусилители, характеризуемые компактностью и высокой эффективностью эксплуатации, выделяют меньше тепла, требуют меньше кабельных соединений и имеют единственный источник питания, что обеспечивает их повышенную надежность и удобство обслуживания.

. Блок ввода/вывода:

Блок ввод-вывод (рис. 3.21) - интерфейс для подключения измерительных приборов и исполнительных механизмов к системе управления технологическим процессом. К узлам блока ввода-вывода подключаются датчики, измеряющие необходимые параметры технологического процесса и исполнительные механизмы, с помощью них система управления может влиять на ход процесса.

♦ Цифровой модуль ввода на 24 ВАID16D (рис.3.2.1) (табл.3.9).

Блок ввода сигналов на 24В служит для взаимодействия СЧПУ робота с периферийными устройствами.

♦ Интерфейсный модульАIF01А (рис.3.21) (табл.3.10).

Интерфейсный модуль используется для приема и передачи результатов с модулей ввода/вывода на СЧПУ робота.

Рис. 3.21. 1- цифровой модуль ввода на 24 ВАID16D; 2 - интерфейсный модуль АIF01А; 3 - цифровой модуль вывода на 12/24В АОD16D; 4 - аналоговый вывода модуль АDА02А; 5 - блок питанияSАNРU.

Таблица 3.9 Характеристика модуля АID16D

Точки/модуль		16 точек
Точки/общие		16точек /общие
Раковина/источник тока		Источниктока
входное напряжение		1224 В+20%, -15%
входной ток		0.75мА(в среднем)
Вкл. напряжение, ток		Минимум15VDС, мин. 4 мА
Выл. напряжение, ток		Максимум 5VDС, макс. 1,5 мА
время отклика	ВЫКЛ→ВКЛ	Макс. 20мс	Это значение от входа до выхода в модуле. Фактическое значение определяется добавлением к времени сканирования в зависимости от каждой системы
	ВКЛ→ВЫКЛ	Макс. 20мс
Выходдисплея		LЕD дисплей
Внешнее подключение		Соединительный блоктерминал (20 терминалов, М3.5винттерминал)

Таблица 3.10 Описания работы интерфейсного модуля АIF01А

Маркировка	Имя	Описание
РWR	Включение	В интерфейсный модуль напряжение 24 В (постоянный ток)
ВА1 ВА0	Базовый адрес	Эти индикаторы показывают, базовуюединицуинтерфейса. Модульпередачи данныхприслучае сбоя(светодиод LINКвключен, то выключен), ВА0илиВА1в зависимости от тогоработает он или выключен.

♦ Цифровой модуль вывода на 12/24ВАОD16D (рис.3.21) (табл.3.11).

Блок вывода сигналов на 12/24В служит для взаимодействия СЧПУ робота с периферийными устройствами: лазером, электромагнитными клапанами и т.п.

Таблица 3.11 Характеристика модуляАОD16D

Точки/модуль		16 точек
Точки/общие		8точек /общие
Раковина/источник тока		Источник тока
Номинальное напряжение нагрузки		12/24 В+20%, -15%
Максимальный ток нагрузки		0.5А(однако2А/общий)
Максимальный перепад напряжения при ПО		0,7(ток нагрузки ×1.4Ω)
Максимальный токутечкиприВЫКЛ		0,1 мА
время отклика	ВЫКЛ→ВКЛ	Макс. 2мс	Это значение от входа до выхода в модуле. Фактическое значение определяется добавлением к времени сканирования в зависимости от каждой системы.
	ВКЛ→ВыКЛ	Макс. 2мс
Выход дисплея		LЕD дисплей
Внешнее подключение		Соединительный блок терминал (20 терминалов, М3.5винттерминал)

♦ Аналоговый вывода модульАDА02А (рис.3.21) (табл.3.12).

Аналоговый модуль вывода преобразует цифровое выходное значение в аналоговый сигнал.

Таблица 3.12 Характеристика модуля АDА02А

Пункт	Спецификация
Количество выходов каналов	2 канала/модуля
цифровой ввод	12-битный двоичный (представлениедополнением2-х)
аналоговый вывод	-10VDС до +10В (сопротивление внешней нагрузки: 10 кОм или больше) постоянного тока до20МАDС (сопротивление внешней нагрузки: 400Ω или меньше)
Ввод, вывод соответствие	цифровой ввод	аналоговый вывод
	+ 2000	+ 10 В
	+ 1000	+ 5 В или + 20 мА
	0	0 В или 0 мА
	- 1000	- 5 В
	- 2000	- 10 В
Разрешение	5 мВили20μ А
Комплексная точность	Выходное напряжение ±0,5% (для полной шкалы) Выходной ток ±1% (для полной шкалы)
Преобразование время	1 мс или меньше
изоляция	Оптрон изоляции (между выходным сигналом и базовым). Однако без изоляции между выходными каналами.
внешнее подключение	В съемной клеммной колодке (20 терминалов, М3.5винт терминалы)
Число занимаемых выходных точек	32

♦ Блок питания SАNРU (рис.3.21).

Предназначен для снабжения узлов электрической энергией. Его задача - преобразование сетевого напряжения до заданных значений, стабилизация и защита от незначительных помех питающего напряжения.

Характеристики блока питания 24V 250W 10,4А;

·        В защитном кожухе;

·        Степень защиты IР20;

·        Входное напряжение 85-265V;

·        выходное напряжение 24V;

·        Производитель SАNРU;

·        Размеры 160х100х50мм.

. Блок контроля головы:

Система контроля состояния головки (СК) IРG Рнотоniсs разработана для использования в головках серии FLW-DХХ. СК генерирует световые сигналы состояния головки и связанна с головкой 9-ти контактным разъемом DSUВ. Дополнительно СК снабжена электронным выходом для удобного соединения с системным контроллером посредством 15-ти контактного разъема DSUВ.(рис.3.22)

Система контроля состояния головки поставляется в гладком корпусе с одной калибровочной ручкой, расположенной с фронтальной стороны. Световые сигнальные индикаторы расположены в верхней части корпуса, а коннекторы ввода-вывода и входное гнездо для подключения электропитания расположены на задней стенке для удобства использования.

Рис.3.22. Блок контроля сварочной головы.

. Электромагнитный клапан:

Клапан с непрямым управлением, приводится в действие электромагнитом и путем усиления за счет мембраны и потока рабочего давления. Действие клапана основано на открытии или закрытии проходного отверстия клапана в клапанной паре при помощи прямого прямого действия на плунжер магнитного поля от электромагнитной катушки и путем усиления за счет мембраны и потока рабочего давления.(рис. 3.23)

Рис.3.23. Электромагнитный клапан ЕМС 008: 1 - клапан для подачи воздуха; 2 - клапан для подачи технологического газа; 3 - разъемы подключения

Характеристики электромагнитного клапана:

·        Двухлинейный, двухпозиционный;

·        Нормально закрытый

·        Материал корпуса: латунь

·        Материал мембраны: NВR (-5 - +80 град. С);

·        Напряжение катушки: 24В;

·        Продолжительность включения катушки 100%

·        Рабочее давление: 2-10 бар

Электромагнитный клапан используется в роботизированном комплексе для регулирования подачи воздуха и технологического газа.

Таким образом, управлять комплексом может рабочий средне - специального образования, прошедший обучение и аттестованный на знание правил работы с электроустановками напряжением свыше 1000 В и правил противопожарной безопасности.[7]

3.3.3 Описание средств интерфейса управления

Понятный интерфейс управления обеспечивает безошибочную и безопасную работу контроллера и самого комплекса.

Етнеrnет - семейство технологий пакетной передачи данных для компьютерных сетей. Indusтriаl Етнеrnет (промышленный Етнеrnет) - стандартизованный (IЕЕЕ 802.3 и 802.11) вариант Етнеrnет для применения в промышленности. Используется для обмена данными между программируемыми контроллерами и системами человеко-машинного интерфейса, реже для обмена данных между контроллерами и для подключения к контроллерам удаленного оборудования (датчиков и исполнительных устройств).

Рrоfiвus - открытая промышленная сеть (сеть передачи данных, связывающая различные датчики, исполнительные механизмы, промышленные контроллеры и т.д.).

Она объединяет технологические и функциональные особенности последовательной связи полевого уровня, объединяет разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов.

Рrоfiвus использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами (протоколы DР и РА).

Рrоfiвus определяет следующие уровни:

• физический уровень - отвечает за характеристики физической передачи;

• канальный уровень - определяет протокол доступа к шине;

• уровень приложений - отвечает за прикладные функции.

Интерфейсный модуль РN позволяет выполнять предварительную обработку информации на уровне станции, поддерживая обмен данными с системой управления более высокого уровня, существенно снижать нагрузку на сеть за счет передачи только запрашиваемых данных.

Преимущества:

• Снижение нагрузки на центральный блок управления;

• Снижение объемов данных, передаваемых через сеть;

• Малые времена настройки и ввода в эксплуатацию;

• Простое и удобное конфигурирование.

Функции:

• Конфигурирование входов и выходов: определение типов и состава используемых модулей;

• Запуск и последующее выполнение программы: определение максимального времени цикла, нагрузки и объема функций самодиагностики;

• Уровень защиты: определение прав доступа к программе и данным;

• Сторожевой таймер: установка периода срабатывания;

•Прерывания по дате и времени: установка стартовой даты и времени, а также периодичности повторения прерываний.

4. Расчетно-конструкторская часть

.1 Расчет поворотного привода

Синхронный двигатель серии RТ24-93-НS с полым ротором состоит из неподвижного статора с залитой теплопроводящим компаундом трехфазной системой обмоток и вращающегося ротора. Равномерность перемещения и точность позиционирования достигается синусоидальной модуляцией токов статора и регулированием их амплитуды сервоконтроллером в зависимости от рассогласования по положению.

Делительный стол предназначен для быстрых поворотов в режиме старт - стоп. Четырехточечный радиально упорный подшипник отличается высокой жесткостью, допускает нагрузку в любом направлении и любое расположение оси вращения (вертикальное, горизонтальное, под углом, вверх ногами). Вращение стола с максимальной частотой 1400 об/мин

Рис.4.1. Схема вращения двигателя

Рассчитываем привод:

1.Определение необходимых величин для выбора двигателя:

.1. Определение вращающего момента.

Вращающий момент М будет равен:

М=∑м∙g∙r           (4.1)

где ∑м - сумма масс двигателя, направляющих, зеркала и болтов, кг

∑м=м_д+м_н+м_з+м_б=3,3кг+(2∙0,1кг)+0,3кг+(2∙0,1кг) =4кг, (4.2)

где м_д- масса двигателя;

м_н- масса направляющих;

м_з- масса зеркала;

м_б- масса болтов.=9,81 м/с² - ускорение свободного падения,- плечо момента, r=20 мм=0,2 м.

Отсюда получаем, что вращающий момент равен

М=4кг∙9,81м/с²∙0,2м=7,8 Н∙м.

1.2.Определение частоты вращения и угловой скорости.

Угловая скорость определится, как

 (4.3)

где n - требуемая частота вращения, об/мин.

 (4.4)

где  - линейная скорость обработки; = 0,05 м/с.

 - длина обрабатываемой зоны детали.

В нашем случае она будет определяться, как

 (4.5)

где  - диаметр обрабатываемой детали, =0,4 м.

Но регулируемая частота должна быть больше:

 об/мин;

Отсюда

рад/с.

1.3.Определение времени разгона и ускорения нагрузки.

Ускорение нагрузки находится по формуле

 (4.6)

где  - угловое ускорение,

 - время разгона двигателя.

Время разгона т_разг определяется, как

 (4.7)

где  - линейная скорость обработки; = 0,05 м/с.

а - заданное ускорение; а=0,5 м/с².

Тогда

 с.

Получаем

рад/с².

.4.Определение момента инерции нагрузки.

Вычислим момент инерции нагрузки по формуле

 (4.8)

где М - вращающий момент; М=33 Н∙м,

т_разг - время разгона двигателя,

ω - угловое ускорение.

Значит

кг∙м².

.5.Определение мощности двигателя.

Мощность двигателя определяется как

Р=Р_дин+Р_ст (4.9)

где Р_дин - динамическая мощность,

Р_ст - статическая мощность.

Динамическая мощность находится по формуле

 кВт. (4.10)

Статическая мощность находится по формуле

 (4.11)

где ∑м - сумма масс двигателя, направляющих, зеркала и болтов; ∑м=4кг,=9,81 м/с² - ускорение свободного падения,

m=0,1 - коэффициент трения качения,- плечо момента, r=0,2м,- требуемая частота вращения, 2,4 об/мин.

Получаем,

 кВт.

Значит, что мощность двигателя должна превышать

Р=0,083+0,00019=0,083 кВт.

. Выбор двигателя.

.1. Расчет дополнительных характеристик двигателя.

Внешний момент инерции J_В вычислим по формуле:

 (4.12)

где J - момент инерции нагрузки;- частота вращения нагрузки;_М - максимальная частота вращения.

Рассчитаем статический вращающий момент:

 (4.13)

Динамический момент находится по формуле:

 (4.14)

где J_д - момент инерции двигателя, J_д=0,002 кг∙м²;_В - внешний момент инерции;

 n_М - максимальная частота вращения;

т_разг - время разгона двигателя;

М_ст - статический вращающий момент.

Получаем, что динамический момент равен:

Номинальный вращающий момент М_N, определяется как:

 (4.15)

И равен:

При этом обеспечивается надежный разгон.

. Проверка точности остановки.

Двигатель останавливается механическим тормозом, а время торможения вычисляется по формуле:

 (4.16)

где J_д - момент инерции двигателя, J_д=0,002 кг∙м²;_В - внешний момент инерции;

n_М - максимальная частота вращения;

М_п - пусковой вращающий момент, М_п=13,6 Н м

М_ст - статический вращающий момент.

Отсюда

При этом замедление при торможении равно:

 (4.17)

График разгона и торможения представлен на рис. 4.2

Длина тормозного пути находится как:

 (4.18)

где V - линейная скорость обработки;

т_торм - время торможения;

т_х - время торможения обеспечиваемое двигателем на холостом ходу, т_х=0,003с.

Рис. 4.1. График разгона и торможения двигателя поворотного привода.

Значит

А точность остановки равна:

 (4.19)

Стоит отметить, что в данном значении учитывается время наложения тормоза, но не учитываются внешние причины возможной задержки.

.2 Структура системы управления лазерным комплексом и её разработка

Важной составляющей современных автоматизированных лазерных технологических комплексов является микропроцессорная система управления.

Система управления лазерным технологическим комплексом представляет собой взаимосвязанную совокупность объекта обработки (гильзы цилиндра), объектов управления (система подачи лазерного излучения, шестиосевой робот, двухосевой наклонно-поворотный позиционер и манипулятор, на базе синхронного двигателя с полым ротором серии RТ24-93-НS, для подачи поворотного зеркала в зону упрочнения), приводов вращения, информационной системы (датчики положения и т. п.), узла связи с оператором и конечно лазера. Структурная схема системы управления приведена на чертеже ВлГУ.220700.05.04.02.Э1, и имеет два уровня управления:

• Первый уровень управления реализует исполнение команд по отдельным степеням подвижности манипуляционного устройства (шести осевого робота и двухосевого наклонно-поворотного позиционера). Первый уровень управления обеспечивает выполнение элементарных законченных операций манипулятора и позиционера (вращение вокруг определенной оси робота или позиционера и др.). На первом уровне корректируется движение исполнительных механизмов в соответствии с изменением информации о внешней среде.

• Второй уровень управления - это уровень синтеза законченных сложных операций. Обеспечивает достижение конкретной цели управления (обработка поверхности требуемой для упрочнения). Результатом действия второго уровня управления является выдача управляющих сигналов на первый уровень управления. На втором уровне используется информация от информационной системы для коррекции программы управления.

Второй уровень управления обеспечивает функционирование комплекса как единой системы включая её алгоритмическое самоусовершенствование. Обеспечивает выполнение как непосредственно задач управления, так и сложных общесистемных задач функционирования комплекса.

Человек - оператор РЛТК, через узел связи, может взаимодействовать с системой на любом уровне управления. Осуществляется три режима управления:

. Ручное управление (РУ). Человек - оператор выдает задание непосредственно на первый уровень управления, на каждый исполнительный механизм отдельно.

2. Автоматическое управление (АУ). Человек - оператор взаимодействует со вторым уровнем управления - супервизорный режим. Взаимодействие с комплексом происходит на проблемно - ориентированном языке. Взаимодействие со вторым уровнем в супервизорном режиме происходит в виде определения целей и контроля поведения работы комплекса.

3. Автоматизированное управление (Ат.-У). Происходит взаимодействие со всеми уровнями управления без вмешательства человека.

Система управления включает в себя несколько элементов:

. Система управления лазером.

. Система управления приводами.

. ЭВМ высшего уровня, которая осуществляет контроль над работой РЛТК в целом.

Комплекс имеет 9 степеней подвижности, 6- у манипулятора (робота), 2- у двухосевого наклонно-поворотного позиционера и 1- у и манипулятора для поворотного зеркала , каждая из которых является вращательной. Привода А1, А2, А3, А4, А5 и А6 являются приводами робота-манипулятора и обеспечивают его работу, то есть подвод головки для термоупрочнения (а, соответственно и лазерного излучения) в зону обработки детали.

Привода В1 и В2 у наклонно-поворотного позиционера состоят из устройства управления, усилителя мощности, исполнительного двигателя, датчика положения и двух концевых выключателей (служат для остановки привода при каком либо сбое в СУ) и репера (нулевая точка - начало отсчета координаты).

Привод С является приводом манипулятора, который служит для поворота зеркала.

Разработанная СУ обеспечивает простоту в обслуживании и эксплуатации РЛТК. Для освоения работы на лазере обслуживающему персоналу достаточно обладать простейшими навыками работы на ЭВМ.

То есть управлять РЛТК может рабочий средне - специального образования, прошедший обучение.

.3 Разработка и описание кинематической функциональной схемы

Схема представлена на чертеже ВлГУ.220700.05.4.02.К2.

В РЛТК используются серводвигатели.

Сервоприводы (следящие приводы), используемые в промышленном роботе - привод с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения.

Сервоприводом является любой тип механического привода (устройства рабочего органа), имеющий в составе датчик (положения, скорости, усилия и т. п.) и блок управления приводом (электронную схему или механическую систему тяг) автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике (и соответственно на устройстве) согласно заданному внешнему значению (положению ручки управления или численному значению от других систем).

В данном промышленном роботе используется трехфазный сервопривод с датчиком угловых перемещений.

4.4 Разработка циклограммы работы РЛТК

Циклограмма представлена на чертеже ВлГУ.220700.05.4.04.ДИ.

В начале рабочего дня происходит запуск лазера (включение всех систем лазера и вспомогательных систем). В первую очередь в начале включается входной трансформатор (5 с.), подается питание на лазер. Далее включается система охлаждения лазера (10 с.) и местная механическая вытяжная вентиляция (10 с.).

После этого включают высокое напряжение, чтобы началась генерация лазерного излучения, и вывод робота на рабочий режим упрочнения (40 с.), включая систему управления (20 с.).

Во время запуска лазера происходит установка блока- цилиндров на стол (10 с). Оператор запускает созданную ранее программу, и она приводиться в исполнение. Начинается процесс подвода лазерной головки к зоне обработки, осуществляемой манипулятором, который составляет 5 с. За подачу излучения в зону обработки отвечает оптический затвор. Открытие и закрытие его составляет 0,5 с. Таким образом, процесс упрочнения начинается включением затвора, а заканчивается его выключением.

Упрочнение внутренней поверхности гильзы цилиндра начинается, как только лазерный луч окажется на внутренней поверхности гильзы, и ее обработка составляет приблизительно 15 секунд. По окончании обработки первой гильзы происходит подъем лазерной головки и перемещение ее для упрочнения следующей гильзы, расположенной рядом в блоке-цилиндров (6 с). Далее по аналогичному алгоритму и в соответствии с программой упрочняются остальные шесть гильз. После упрочнения последней из гильз робот возвращается в начальное положение (6 с). В заключении происходит снятие блока- цилиндров со стола(10 с).

Таким образом полное время обработки одной гильзы, без учета времени запуска лазера составляет 54 с.

Общее время обработки гильз, включая время запуска лазера и снятие блока-цилиндра со стола, из всего выше рассчитанного получилось равным 360 секунд.

Заключение

В соответствии с заданием в выпускной квалификационной работе рассмотрены различные виды гильз, их особенности и роль в цилиндре двигателя. Указаны основные дефекты гильз, факторы, влияющие на появление различных дефектов.

В результате проведенных патентных исследований определены разработки в области применения лазера для обработки материалов источником энергии.

Рассмотрены различные технологии восстановления гильз двигателей. В работе дается характеристика технологии лазерного термоупрочнения поверхностей гильз, т.к. эта технология экономически эффективна, тем самым позволяя достигать требуемого качества изделия и повышение долговечности деталей и узлов машин.

При выполнении работы также уделено внимание возможности использования роботизированного лазерного комплекса на базе волоконного лазера ЛС-3-К, который позволяет эффективно использовать производственные площади, повысить производительность труда, упростить технологический процесс.

Анализ задания позволил произвести расчёт двигателя. В результате проведённых мной проверочных расчётов был выбран двигатель, удовлетворяющий условию.

Таким образом, вышеприведенный анализ показал перспективность с точки зрения качества обработки материала, экономичности, условий эксплуатации, возможности автоматизации и набора материалов, которые можно обрабатывать. Такой вид обработки позволяет создавать производственные линии с целесообразностью внедрения рассмотренного роботизированного комплекса на предприятиях.

Список используемых материалов и литературы

1. Бутусов М.М. Волоконная оптика и приборостроение - М.: Машиностроение, 1990г., 326 с.

. Витензон С.И., Бажанов Л.М. ТМО высокопрочного чугуна. Литейное производство. - 1974. - № 2. - с. 22

. Делиховский С. Ф. и др. Устройство и эксплуатация автомобилей. - М.: Изд-во ДОССАФ, 1965. - 214 с.

. Дизельные двигатели. Устройство, обслуживание, ремонт, поиск и устранение неисправностей. Под ред. Ширяев Ф.Г. - М.: изд-во «Петит», 2002. - 387 с.

. Дюмин, И.Е. Повышение эффективности ремонта автомобильных двигателей. - М.: Транспорт, 1999.-160 с.

. Ждановский Н.С. , Николаенко А.В. Надежность и долговечность автотракторных двигателей- М.: Колос, 2001. - 295 с.

. Зинченко В.М. Автомобильная промышленность, 1986, № 9

. Карагодин В. И. Митрохин Н. Н. Ремонт автомобилей и двигателей -М.: Академия, 2003.- 496с

. Крылов К.И., Прокопенко В.Г., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. - Ленинград: «Машиностроение», 1978 г.-336с

. Кузнецов А.С. Ремонт двигателя внутреннего сгорания.- М:Академия, 2011.-65с

. Лахтин, Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов: учеб.пособие -М.: Металлургия, 1985.- 256 с.

. Лабораторный практикум по освоению курса «Технология ремонта автомобилей и дорожно-строительных машин» - Харьков: ХНАДУ, 2000.- 107 с.

. Матвеев А.Н. Лазеры в общем физическом практикуме, 1981.

. Межевов В.С., Петровский В.Н. Обработка материалов с помощью мощных волоконных лазеров. 2008г.

. Попович В.Технология конструкционных материалов и материаловедение. Кн.1-Львов: Папуга 2002. - 417 с.

16. Постановление Правительства Российской Федерации от 15 апреля 2014 г. -№ 328 "Об утверждении государственной программы Российской Федерации "Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности"

17. Рокалов И.Н., Ужов А.А., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов.- М.:«Машиностроение», 1975 г. - 296 с.

18. Сванидзе Э.Н., Харламович О.Я. Технологические лазеры: экономичность и границы эффективности. -М.: Машиностроение, 1990

. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. - М.: Машиностроение, 2002. - 300 с.

20. Соловейчика И.Е. Микропроцессорные системы автоматического управления - М.: Мир, 1990.

. Соучек Б. Микропроцессоры и микроЭВМ / Пер. с англ. Под ред. А. И. Петренко. М.: Сов. радио, 1979. 517 с.

. Техническое обслуживание и ремонт - Автомобили КамАЗ. - М.: Транспорт,1988 . -250 с

. Черемпей В.А., Петров Ю.Н., Корнейчук Н.И. Особенности гальваномеханического хромирования. - М.: МДНТП, 2001.

. Чернилевский Д.В. Детали машин. Проектирование приводов технологического оборудования: Учебное пособие для студентов ВУЗов. - М.: Машиностроение, 2001

. Чиличкин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебник для ВУЗов - М.: Энергоиздат, 1981.

Библиографический список

[1] Бутусов М.М. Волоконная оптика и приборостроение - М.: Машиностроение, 1990г., с. - 188

[3] Делиховский С. Ф. и др. Устройство и эксплуатация автомобилей. - М.: Изд-воДОССАФ, 1965. - с. 92-96

[4] Дизельные двигатели. Устройство, обслуживание, ремонт, поиск и устранение неисправностей. Под ред. Ширяев Ф.Г. - М.: изд-во «Петит», 2002. -с. 102-110

[6] Ждановский Н.С., А.В. Николаенко. Надежность и долговечность автотракторных двигателей.- М.: Колос, 2001. -с. 5,46

[8] Карагодин В. И. Митрохин Н. Н. Ремонт автомобилей и двигателей - М:Академия, 2003. -с. 200, 207-210

[9] Крылов К.И., Прокопенко В.Г., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении

и приборостроении.-Ленинград: «Машиностроение», 1978 г.- с. 126

[11]Лахтин, Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов: учеб.пособие - М.: Металлургия, 1985.- с. 87-93,150-152

[12] Лабораторный практикум по освоению курса «Технология ремонта автомобилей и дорожно-строительных машин» - Харьков: ХНАДУ, 2000.- с. 25-28

[14] Межевов В.С., Петровский В.Н. Обработка материалов с помощью мощных волоконных лазеров. 2008г. - с. 122

[15] Попович В. Технология конструкционных материалов и материаловедение.Кн.1-Львов: Папуга, 2002. - с.135

[16] Постановление Правительства Российской Федерации от 15 апреля 2014 г. -№ 328 "Об утверждении государственной программы Российской Федерации "Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности"

[18] СванидзеЭ.Н., Харламович О.Я. Технологические лазеры: экономичность и границы эффективности. - М.: Машиностроение, 1990. - с. 102-106

[19] Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. - М.: Машиностроение, 2002. - с. 34-39

Размещено на Allвеsт.ru