Симуляция кинематики механизмов на примере штампов последовательного действия
Симуляция кинематики работы сложной механической системы отличается от трехмерного моделирования этой системы тем, что объектом симуляции является поведение подвижных элементов механизма в соответствии с его кинематикой. В результате можно подробно рассмотреть работу механизма и предсказать возможные коллизии, то есть столкновения или пересечения в результате движения. Такая симуляция важна при оценке работы различных подъёмно-транспортных механизмов и манипуляторов.
Симуляция кинематики штампов последовательного действия
Типичный штамп последовательного действия требует длительной процедуры настройки кинематики. Иногда следует дополнительно обработать или внести изменение в законченный штамп, чтобы исключить столкновение деталей при выполнении технологических операций.
- Столкновение в штампе приводит к приостановке производства и снижению скорости работы штампа.
- В то же время сегодня рынок требует получение листовых штампованных автомобильных деталей за меньшую стоимость.
Все это объединяется симулированием кинематики работы штампа, с помощью которого можно найти и устранить столкновения и удары перед тем, как штамп начнут применять в производстве. Подходящим инструментом для такого моделирования является CAE программное обеспечение.
Далее описывается использование принципов симуляции для анализа кинематики в штампах последовательного действия с целью резкого сокращения времени наладки таких штампов. В этом случае элементами механической системы являются система манипуляторов, обрабатываемые детали и части штампа. Типичный штамп (рисунок 1) последовательного действия требует длительной процедуры настройки. Часто приходиться дополнительно обрабатывать или вносить изменения в готовый штамп, чтобы исключить столкновение деталей при выполнении технологических операций. Предусмотреть все коллизии не получается из-за сложности движений манипуляторов. Часто возникает необходимость перепроектирования или дополнительной механической обработки элементов штампа для того, чтобы исключить удары, возникающие при запуске трансферной линии на требуемых скоростях работы. Столкновение в штампе приводит к появлению брака, к снижению скорости работы штампа, а, иногда, к повреждению дорогостоящего оборудования.
Рисунок 1. Внешний вид штампа последовательного действия (4 рабочих позиции) без верхнего полуштампа
Исправление таких критических ситуаций, называют наладкой штампа, и проводят в обязательном порядке при запуске штампа в работу. Как правило, на этот процесс отводиться от 5 до 10 рабочих дней. Для сокращения срока наладки мы предлагаем использовать проведение симуляции работы штампа, в результате чего можно определить все критические места конструкции заранее и провести корректирующие мероприятия.
По заказу компании MAGNA International Corp. (Канада – США) нами была разработана концепция распределенной информационно-интегрированной системы симуляции кинематики, а также расчет эффективности ее внедрения, основанный на ее опытной эксплуатации. Экономическая эффективность системы была одобрена компанией MAGNA и система была включена в стандартный бизнес процесс подготовки производства в 2009 году.
Для того, чтобы получить точные траектории движения, нам необходим минимум исходных данные, которые можно найти на любом заводе по изготовлению штампов. При этом не стоит нанимать дополнительных специалистов, чтобы применить наш отчет – проектировщики будут напрямую работать с ним. Также можно использовать любые CAD системы, используемые для проектирования штампов. Типичные ошибки при 3D проектировании штампа увеличивают срок наладки до 3-х месяцев.
Статистика ошибок проектирования и оценка экономической эффективности
За период 2010 – 2012 года нами было выполнено 315 работ по моделированию кинематики штампов последовательного действия. В среднем на каждый штамп приходится по 9-10 ошибок.
Из них (в среднем):
- Ошибки проектирования пресса – 4.6 ошибок на штамп
- Ошибки, связанные с траекториями движения – 1.4 ошибок на штамп
- Проблемы, вызванные малой скоростью работы пресса – 3.5 ошибки на штамп
Типы ошибок:
1) Ошибки проектирования пресса.
Рисунок 2. Ошибка конструирования.
Примером такого рода ошибок является некорректное расположение объектов (ловителей, направляющих или датчиков), размещённых в точках подхвата продукта или на траекториях захватным устройством (грипперов). Это может привести к ударам с захватным устройством (гриппером) или недостаточному зазору между гриппером и объектом. Исправление такого рода ошибок предполагает обеспечение допустимого зазора за счет фрезерования соответствующих полостей (карманов) в деталях штампа или переноса объектов в штампе.
Потери времени на исправления такого вида ошибок:
- Простой прессового оборудования – 0,5-1 дня
- Работы, связанные со сборкой-разборкой штампа – 4 часа
- Вырез карманов для захватов – 6 часов
- Изменение положения направляющих – 3 часа
- Пробные пуски – 2 часа
2) Ошибки, связанные с траекториями движения захватов.
Рисунок 3. Ошибка из-за изменения траектории движения
Указанные ошибки возникают из-за совпадения разных направлений движения во времени, что приводит к появлению непрямолинейных участков на траекториях и зависит от скорости работы пресса. При конструировании штампа такие совпадения учесть очень сложно. Как правило, это приводит к ударам или недостаточному зазору между захватными устройствами (грипперами) и заготовками с одной стороны и различными деталями штампа с другой стороны.
Рисунок 4. Пример изменения траектории.
Потери времени на исправления такого вида ошибок:
- Простой прессового оборудования – 1.5 дня
- Работы, связанные со сборкой-разборкой штампа – 4 часа
- Обработка плиты штампа– 12 часов
- Настройка пресса – 3 часа
- Изменение расположения направляющих – 3 часа
- Пробные пуски – 4 часа
3) Неправильная скорость работы пресса и недостаточные амплитуды основных движений промышленных роботов
Рисунок 5. Ошибка из=за выбора неправильной амплитуды движения
Величина подъема (Lift) или разведения захватов (Clamp) слишком мала для того, чтобы исключить соударение движущихся элементов штампа с объектами (пробойниками, направляющими, стоп-блоками, и т.п.), закреплёнными в прессе, или непосредственно с литьем пресса. Исправление таких ошибок предполагает увеличение амплитуд перемещений за счёт снижения скорости работы пресса, либо фрезерование полостей для беспрепятственного прохождения захватов.
Потери времени на исправления такого вида ошибок:
- Простой прессового оборудования– 1.5 дня
- Обработка плиты штампа – 12 часов
- Изменение расположения направляющих – 3 часа
- Пробные пуски– 4 часа
C учетом того, что описанные выше ошибки проектирования штампов последовательного действия не были бы исправлены на стадии их проектирования, можно оценить средние потери времени, приходящиеся на их исправления на каждый отдельно взятый штамп:
- Простой прессового оборудования – 7 дней
- Работы, связанные со сборкой-разборкой штампа – 4 часа
- Механическая обработка поверхностей штампа – 44 часа
- Другие работы (отладка) – 28 часов
- Пробные пуски – 29 часов
*) Предположения принятые при оценке: наличие 2-х обрабатывающих центров с ЧПУ и 2 человек обслуживающего персонала (наладчиков прессового оборудования)
Если перемножить это время на стоимость человеко-часов можно в первом приближении оценить экономическую эффективность предлагаемых нашей компанией решений, даже если не учитывать упущенную прибыль от простоя производства.
Важное замечание: Приведенные расчеты не учитывают преимущества связанные с оптимальной работой трансферной линии для конкретного пресса и скорости его работы.