В настоящее время большое внимание уделяется совершенствованию структуры выпускаемых станков, станочных комплексов, и в первую очередь — станков с ЧПУ, многооперационных станков типа «обрабатывающий центр», тяжелых станков, станков высокой и особо высокой точности, автоматизированных и роботизированных комплексов и линий, гибких производственных систем.
Основные направления развития отечественного станкостроения подчинены следующим главным целям:
1) повышению производительности обработки;
2) повышению качества обработки;
3) снижению затрат на обработку;
4) улучшению условий труда;
5) интеллектуализации производства;
6) расширению технологических возможностей оборудования. Достижение первых трех целей позволит решить технико-экономические проблемы за счет максимальной автоматизации производства, эффективность которой можно оценить по выражению [4]
, где П — параметр производительности (П = (Тш — Тп)/Тм, Тш — штучное время; Тп — время на обработку; Тм — среднее машинное время]; К — параметр качества, который может быть определен на основе сравнения требуемого и фактического качеств по отдельным критериям — размерам, форме, массе, шероховатости затраты на обработку, состоящие из капитальных, временных и отнесенных к изготавливаемой детали затрат. Достижение четвертой и пятой целей позволит решить социально-экономические проблемы путем широкого внедрения комплексной автоматизированной системы научных исследований, проектирования новых технических систем подготовки и освоения производства. Достижение шестой цели позволит решить многие технические, экономические и социальные проблемы.
На современном этапе развития машиностроительного комплекса, и в частности в станкостроении, наметились следующие главные тенденции:
1) широкое применение концентрации (совмещения) операций, что ведет к повышению производительности при снижении ее трудоемкости;
2) применение ресурсосберегающих малоотходных и безотходных технологий, повышающих коэффициент использования металла и сокращающих расход энергии;
3) совмещение в одном станке нескольких методов обработки (шлифования и электрохимической, механической и термической, резания и тонкого пластического деформирования, зубофрезерования и зубошлифования, точения и протягивания и т. д.), что сокращает количество оборудования и снижает трудоемкость изготовления;
4) агрегатно-модульный принцип построения станков, станочных комплексов и другого технологического оборудования, что повышает степень его унификации, качество изготовления и сборки, надежность работы, сокращает сроки и затраты на проектирование и изготовление;
5) стремление к прецизионной и ультрапрецизионной обработке (например, таких деталей, как барабаны и диски памяти, элементы интегральных схем, зеркальные поверхности телескопов) путем сокращения кинематических цепей и замены механических цепей электрическими, что повышает качество обработки и снижает металлоемкость оборудования;
6) стремление к безлюдной технологии за счет гибкой комплексной автоматизации, широкой роботизации, применения диагностических систем, что повышает коэффициенты сменности и использования оборудования;
7) миниатюризация систем управления и возможность наращивания управляющих координат систем ЧПУ;
8) применение станков с ЧПУ даже в крупносерийном и массовом многономенклатурном производстве наряду с высокопроизводительными станками-автоматами.
Первые две тенденции предопределяют работы, связанные с поиском новых технологических принципов, заменой дробной технологии обработки на отдельных однопозиционных и однооперационных станках совмещением операций на многопозиционных и многооперационных станках и автоматических станочных системах.
Актуальность вопросов экономного использования материальных ресурсов и энергии обусловлена ростом производства продукции машиностроения, который вызывает необходимость вовлечения в производство огромных сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов. В решении этих вопросов возникает необходимость применения заготовок, приближающихся по форме к готовым деталям, что во многих случаях требует замены резания другими видами малоотходной обработки и для простых деталей делает эффективным использование роторной и роторно-конвейерной обработки.
Планируется взамен ежегодного выпуска 200 тыс. одноцелевых станков выпускать примерно 75 тыс. многоцелевых станков, уменьшая при этом расход чугуна в 2 раза.
‘Третья, четвертая и пятая тенденции требуют изменения структуры, компоновочных и схемных решений станков с ЧПУ, станочных комплексов и другого технологического оборудования. В станке или в системе устанавливается исходная единица (modul — мера) для данного типоразмера, обеспечивающая соизмеримость взаимосвязи отдельных частей (узлов, агрегатов, блоков и т. д.) создаваемой технической системы. Эти тенденции наблюдаются на эволюции отдельных станков, систем ЧПУ, промышленных роботов, различных средств станочных систем и другого технологического оборудования.
Шестая тенденция в настоящее время особенно четко просматривается в том, что на смену и в развитие механизации, жесткой автоматизации пришли роботизация и компьютеризация управления, позволяющие существенно сократить и облегчить физический, а также умственный труд человека в эпоху ускорения технического прогресса, интенсификации машинного и интеллектуального труда. Особую роль должны сыграть гибкие автоматизированные производства (ГАП), оснащенные самым современным технологическим оборудованием, вычислительной техникой и робототехническими системами.
Модульная, многоуровневая структура ГАП включает» три основных компонента:
1) производство и сборку (станки с ЧПУ, станочные модули, роботы-манипуляторы, транспортные средства, автоматизированные складские комплексы);
2) систему автоматизированого управления с широким применением микропроцессорной техники и адаптивных коммутационных устройств;
3) технологическую подготовку, содержащую маршруты, режимы обработки деталей, номенклатуру инструмента. Все эти компоненты объединены единой системой планирования и управления производством, оснащенной мощной вычислительной техникой с банком данных и устройствами автоматизированного контроля, диагностики, подготовки и обработки информации.
Эффективность ГАП во многом зависит от вида оборудования, причем наибольший эффект могут дать многопозиционные обрабатывающие центры с большой интеграцией операций. Как показывает опыт эксплуатации, ГАП по сравнению с участками, оснащенными универсальными станками, позволяют в 5 раз снизить трудоемкость обработки деталей, в 3 раза сократить обслуживающий персонал, почти в 2 раза — сроки и стоимость подготовки производства.
Главная задача гибкой автоматизации в едином производственном цикле — эффективное использование интеллектуального труда в сочетании с роботизацией и компьютеризацией управления.
Развитие перспективных технологий на основе ГПС сформировало новое научное направление, которое получило название — мехатроника (механика и электроника). Недалеко то время, когда от ЭВМ будут управляться не только участки и цеха-автоматы, но и заводы-автоматы с минимальным составом производственного персонала.
Седьмая тенденция характеризуется тем, что, 1согласно Прогнозам, каждые десять лет системы управления по габаритам должны уменьшаться в 10 раз при снижении их стоимости, что стало реальным с появлением микропроцессоров, позволяющих сократить габариты узлов управления при увеличении объема памяти и расширении их возможностей.
На базе усовершенствования технологии производства микроэлементов большой степени интеграции как вычислительно-логических (микропроцессоры), так и запоминающих (БИС-память) решительно проявляется тенденция так называемой «компьютеризации» систем ЧПУ, т. е. построение их по структуре вычислительных машин на микропроцессорных комплектах и полупроводниковой памяти (БИС) расширенного объема; решение функций управления обработкой на станке средствами математического обеспечения в виде программ функционирования, вводимых в память системы.
Примером восьмой тенденции является применение станков с ЧПУ и гибких станочных модулей в основных механических цехах подшипниковой отрасли.