Современные обрабатывающие центры с ЧПУ должны включать устройства автоматической смены инструмента и в настоящее время как при выборе обрабатывающего центра, так и при разработке технологических процессов обработки, учитываются такие факторы как количество режущих инструментов, расположение и доступность инструментального магазина, наличие датчиков для контроля износа инструментов и обнаружения поломки, время смены инструмента. При этом различают время смены «от реза до реза», т. е. время от момента прекращения резания одним инструментом до момента начала резания следующим и время собственно замены одного инструмента в шпинделе на другой. Все перечисленные факторы должны оцениваться с позиций настоящих и перспективных потребностей производства. От этого может, например, зависеть переход от использования единичных станков на гибкие производственные системы.
Устройства автоматической смены инструмента (АСИ) для станков с ЧПУ по металлу применяются с целью автоматизации процесса смены инструмента и ускорения обработки материалов. Выбор нужного инструмента выполняется по номеру гнезда, в котором он установлен и осуществляется по команде от программы управления станком с ЧПУ.
Использование систем автоматической смены инструмента позволяют существенно ускорить процесс металлообработку, обеспечив при этом точность позиционирования без вмешательства оператора в работу станка. Специалисту достаточно указать лишь номер инструмента, который преимущественно совпадает с номером ячейки инструментального магазина.
Оборудование автоматической смены инструмента на станках с чпу позволяет сократить время смены до 4-5 раз, что в свою очередь значительно повышает производительность обработки, а также исключает возможные ошибки при смене инструмента.
Основные требования к механизму автоматической смены инструмента:
- минимальное время цикла смены (от реза до реза);
- точность и стабильность установки;
- надежность;
- обеспечение необходимое емкости накопителя;
- компактность;
- простота и минимальная стоимость.
Механизм автоматической смены инструмента станка с чпу
Типовой состав механизмов автоматической смены инструмента (МАСИ):
- накопитель инструмента (револьверная головка, магазин инструмента);
- автооператор с захватным механизмами;
- зажимные механизмы в шпинделе (резцедержателе);
- устройства управления.
Для некоторых конструкций автооператор может отсутствовать.
Смена инструмента в металлорежущих станках токарной группы осуществляется обычно с помощью многопозиционированных (на 4-12 инструментов) револьверных головок - одной или двух. Если количество инструментов оказывается недостаточным, может быть произведена автоматическая подпитка из дополнительного накопителя. Время смены инструмента в современных станках токарной группы не превосходит 0,5-1 c.
Фрезерный станок с автоматической сменой инструмента, а также станки сверлильно-расточной группы обычно оснащены устройствами с магазином и автооператором. Магазины имеет дисковую, барабанную или цепную конструкцию, они содержат обычно 20 - 80 гнезд для закрепления инструмента. Если количество инструментов оказывается недостаточный, применяют конструкции со сменными магазинами или с автоматической подпиткой.
При подаче команды автоматической смены инструмента и его последующем поиске используется две системы кодирования - оправок с инструментом и гнезд магазина. При кодировании оправок их можно при зарядке магазина вставлять в любое гнездо, однако из-за необходимости размещения кодовых колец увеличивается масса и снижается жесткость инструмента.
При кодировании гнезд магазина параметры оправка не ухудшаются, однако при зарядке данный инструмент приходится устанавливать только в определенное гнездо магазина.
Механизмы автоматической смены заготовок
Состав механизмов автоматической смены заготовок (AC3) аналогичен составу механизмов автоматической смены инструмента. Смена заготовок типа тел вращения обычно осуществляется встроенный манипуляторами или проглышленными роботами. Подготовленные для обработки заготовки хранятся у станков на различных устройствах выполненных в виде:
- многоместных стационарных накопителей (призм);
- тактовых столов с перемещающимися гнездами или палетами с заготовками;
- устройств с поддонами для заготовок.
Механизмы автоматической смены заготовок для токарно-карусельных станков выполняются в виде палетной системы, аналогично смене заготовок призматической формы.
Смена заготовок призматической и сложной формы (корпусных деталей) обычно осуществляется при помощи столов-спутников (паллет). Заготовка любой сложной формы устанавливается вне станка на стандартный стол-спутник (ГОСТ 27218–87), что обеспечивает ее постоянную ориентацию в процессе обработки и транспортировки. Загрузочные устройства (накопители) механизма автоматической смены заготовок выполняются по различным схемам (продольной, поперечной, поворотной и т.д.); они обеспечивают стыковку с транспортной системой гибкого производственного модуля. Перегружатели столов-спутников обычно размещают на загрузочных устройствах; наиболее распространена конструкция с приводом цепного типа.
Особенности расчетов при проектировании
Исходя из назначения и основных требований, характерными особенностями автоматических систем смены инструмента заготовок являются:
- короткое время цикла работы;
- большие динамические нагрузки в переходных режимах;
- постоянство массы и момента инерции исполнительных механизмов.
При проектировании механизмов автоматической смены инструмента и заготовок на станках с ЧПУ выполняются следующие основные виды расчетов:
- составление циклограммы движений;
- расчеты по выбору двигателей приводов;
- расчеты захватных устройств;
- расчета конструкции на прочность и жесткость;
- расчеты точности.
При конструировании механизмов автоматической смены инструмента и заготовок и составление циклограммы движения следует стремиться к минимальному числу движений рабочих органов и максимальной степени их совмещения во времени. Время каждого отдельного движения должно быть минимизировано. Типовая циклограмма отдельного движения обычно представляет собой трапецию; ускорение при разгоне и торможении, приведенное к инструменту (заготовке), составляет 5-10 м/с2; скорость установившегося движения - 0,5-1 м/с.
Значения ускорения в переходном режиме ограничиваются прочностью исполнительных механизмов, а также требования до точности установки. Слишком резкое торможение приводит к колебательным явлениям на исполнительном органе, обусловленным частотными свойства исполнительных механизмов. Время торможения tТ, ограничивается соотношением
tТ≥k/fИМ
где fИМ - низшая частота собственных колебаний исполнительных механизмов, Гц; k - коэффициент запаса, k = 2-3.
При выборе двигателя привода принципиальный подход, описанный в статье Привод подачи фрезерного станка, для приводов подач, сохраняется. Однако для механизмов автоматической смены инструмента и заготовок имеется определенная специфика, связанная с отсутствием диапазона регулирования и более существенной ролью динамических нагрузок.
При расчете статического момента сопротивления следует учитывать виды нагрузок:
- от масс неуравновешенных перемещаемых узлов;
- от сил трения (в том числе в уплотнениях гидроцилиндров);
- от сил сопротивления в зажимных и фиксирующих устройствах.
Основная задача силового расчета захватных устройств - обеспечение надежного удержания инструмента (заготовки) в процессе перемещения при действии комплекса динамических и статических нагрузок. Наиболее предпочтительны устройства с жесткой фиксацией захватных элементов.
Расчеты точности в основном заключаются в определение погрешности позиционирования рабочих органов. При проектировании следует уделять особое внимание выборке зазоров в исполнительных механизмах приводов автоматической смены инструмента.
С целью исследования влияния различных параметров на динамическое поведение механизмов автоматической смены инструмента и заготовок и создания их оптимальных конструкций проводят математическое моделирование электромеханической (гидромеханической) системы на персональных компьютерах.
Автоматическая смена инструмента на обрабатывающих центрах
Наряду с общими вопросами компоновочного и технического характера создания обрабатывающих центров с ЧПУ решаются задачи изменения уровня их автоматизации путем присоединения к станкам обслуживающих модулей автоматической смены инструмента и автоматической смены заготовок. Один из возможных вариантов сочетания обслуживающих модулей показан на рис. 1. Контуры 1 обрабатывающего центра и заготовки 2 изображены тонкими линиями, а обслуживающие модули - жирными. К системе модулей автоматической смены инструмента (АСИ) и автоматической смены заготовок (АСЗ) относят инструментальный магазин 3, автооператор 4, траверсу 5, устройство смены инструмента 6, тару для комплекта вспомогательного и режущего инструмента 7 и робокар 8. Эти агрегаты составляют структуру системы смены инструмента.
К системе смены заготовок могут быть отнесены приемные и передающие устройства 9, плита 10 и др. Таким образом, совокупность перечисленных устройств при наличии автономного блока управления 11 составляет технологическую единицу гибкой производственной системы (ГПС). Уровень автоматизации обрабатывающих центров может быть изменен путем исключения некоторых модулей. Могут быть такие условия, для которых использование АСИ не принесет больших экономических выгод. Поэтому рассмотрим наиболее часто встречающийся случай, для которого оснащение обрабатывающих центров устройствами автоматической смены инструмента ЧПУ является обязательным условием.
Рис. 1. Схема расположения вспомогательных модулей на обрабатывающем центре
Особенности применения автоматической смены инструмента
Оснащение обрабатывающих центров с ЧПУ устройствами АСИ дает экономический эффект за счет сокращения вспомогательного времени работы станка. При использовании станков с автоматической сменой инструмента со средней частотой смены инструмента 20 шт/ч и при экономии на каждую смену всего 20 с годовая экономия времени работы станка при двухсменной работе составляет около 10 % времени его работы.
Важным вопросом при создании и организации серийного производства системы АСИ является поиск типового унифицированного решения, использование которого возможно на большинстве обрабатывающих центров. Задача эта осложняется тем, что для существующих моделей центров уже созданы устройства смены инструмента, которые, казалось бы, следовало унифицировать по аналогичным конструкциям и типоразмерам обрабатывающих центров. Так, для одной группы станков за основу могла быть принята конструкция смены инструмента с расположением магазина инструментов сверху стойки станка, для другой - с расположением магазина сбоку от стойки и т.д.
Однако такой способ унификации оказался нецелесообразным, так как при этом не обеспечивается во всех случаях экономически целесообразная партия запуска устройства автоматической смены инструмента, при которой возможно использование высокопроизводительного специализированного оборудования и снижение себестоимости изготовления устройств АСИ. Это одна, но наиболее важная сторона рассматриваемого вопроса.
Существует и другая сторона. Например, еще никто не может утвердительно ответить на вопрос, какое количество инструмента необходимо предусмотреть для обработки той или иной группы деталей. А отсюда, как следствие, нет ответа и на принципиальное конструктивное решение автоматической смены инструмента. Частных примеров, когда независимо от числа гнезд в магазине создатели гибких производственных систем как-то выходят из положения, много. Например, некоторые системы осуществляют смену комплекта инструмента с использованием плит-спутников (палет). На них в рабочую зону станка доставляется новый комплект инструмента, который поштучно перезаряжается через шпиндель станка в дисковый инструментальный магазин, расположенный в верхней части стойки станка. Из шпинделя с использованием движений стола и стойки по координатам Y и Z инструмент размещается в свободной ячейке палеты. Далее к шпинделю по координате X подводится новый инструмент, который фиксируется в нем, а затем перемещается в верхнее положение стойки, где автооператор устанавливает инструмент в соответствующем гнезде магазина.
В момент перезарядки инструментального магазина станок не производит механическую обработку. Однако, если эти потери времени распределить на количество обработанных позже деталей, может оказаться рентабельным использование Изложенного способа смены инструмента. Выбор более емких инструментальных магазинов остро встает при создании ГПС, способных работать без операторов в течение нескольких смен.
Различные требования и условия производства заказчиков привели к необходимости одни и те же базовые варианты обрабатывающих центров оснащать различными устройствами АСИ и АСЗ. Гистограмма распределения известных устройств автоматической смены инструмента показана на рис. 2, а, где применяемость их оценивалась без учета числа типоразмеров базовых компоновок обрабатывающих центров отечественного и зарубежного производства. Отметим, что цепные магазины (горизонтальная штриховка) составляют 61%, барабанные (вертикальная штриховка) 39 % (устройства АСИ на рис. 2, а записаны в кодовом обозначении). Код АСИ семизначный: в позиции 1 кода записывается ключевой символ Т. Ниже дано объяснение кода.
Рис. 2. Гистограмма распределения устройства автоматической смены инструмента (а), емкость инструментальных магазинов (б) и гистограмма распределения устройств автоматической смены заготовок и соответствующие им схемы расположения узлов (в)
- Позиция 2 кода – тип инструментального магазина: 1- барабанный магазин; 2 - цепной магазин.
- Позиция 3 - положение оси вращения магазина: 1 - параллельно оси Х; 3 - параллельно оси 2.
- Позиция 4 - место установки магазина: 1 - на стойке; 2 - на шпиндельной бабке; 3 - на станине; 5 - автономно.
- Позиция 5 - взаимное расположение шпинделя и магазина в момент смены инструмента: 1 - любое; 2 - заданное.
- Позиция 6 - наличие и тип автооператора: 2 - имеется автооператор с двумя захватами.
- Позиция 7 - наличие револьверной головки и расположение ее оси вращения в пространстве: 0 - револьверной головки нет.
Гистограмма распределения, показанная на рис. 2, а, имеет следующее исполнение АСИ: 1 - код Т335220; 2 - код T335120; 3 - код Т313220; 4 - код Т311220; 5 - код Т311220; 6 - код Т135220; 7 - код Т131220; 8 - код Т113220; 9 - код Т112120; 10 - код T111220; 11 - код 111120. На рис. 2, б показана гистограмма распределения по вместимости АСИ, применяемых на обрабатывающих центрах, а на рис. 2, в - гистограмма распределения АСЗ и соответствующие им схемы расположения узлов.
Можно заметить тенденцию к созданию более емких магазинов и наиболее частое использование станков с автоматической сменой инструмента цепных вариантов. Однако более достоверные результаты по требованиям, предъявляемым к АСИ, можно получить с учетом типоразмеров станков и размеров деталей. Ниже приводится такая методика, построенная на основе обработки статистического материала и обработанная с помощью известного математического метода статистической обработки данных.
Основное допущение этого метода заключается в принятии положения, согласно которому наиболее экономичное использование обрабатывающих центров будет в том случае, если достаточно полно используются технологические возможности и характеристики спроектированного станка. В этом случае в первом приближении можно считать, что наибольший объем обрабатываемой детали V = xyz, где х, у и z - соответствующие координатные перемещения исполнительных органов обрабатывающего центра (рис. 3). С учетом плотности ρ обрабатываемого материала максимальная масса заготовки mmax = Vρ. Отношение Kз = m/mmax - коэффициент заполнения деталей металлом (рис. 3, б).
Рис. 3. Зависимости объема обрабатываемой детали и массы заготовок на стол от В (а) и коэффициента заполнения деталей металлом с учетом допустимых нагрузок на стол (б)
Если построить характеристику для готовых деталей, т.е. с учетом их массы, и провести статистическую обработку применяемой номенклатуры режущего инструмента, необходимого для снятия определенного объема металла, можно установить зависимость Q = f(V), где Q - число гнезд в инструментальном магазине. Выразим Q и tр - время смены инструмента «от реза до реза» в зависимости от B (рис. 4, а, б). Теперь зависимость Q = f(V) будет выглядеть, как показано на рис. 4, в, из которого следует, что в области малых и средних станков (для обрабатывающих центров с параметром до В = 630 мм) среднее число гнезд в инструментальных магазинах резко меняется, в то время как в остальном диапазоне размеров В наблюдается стабилизация. Аналогично строят зависимость Q = f(tр).
Рис. 4. Среднее значение вместимости инструментальных магазинов автоматической смены инструмента (а), времени смены инструмента от «реза до реза» (б) и характеристика вмести мости АСИ (в)
Среднее значение числа гнезд в магазине представляет интерес для конструкторов. Например, если сравнить полученные характеристики со статистической информацией десяти- или пятнадцатилетней давности, то явно заметна тенденция увеличения емкости магазинов. Однако ориентироваться по средним значениям полученных данных (см. рис. 4, а), вероятно, нельзя. На рис. 5 показаны гистограммы плотности распределения соответственно для значений B = 630, 800 и 1000 мм, которые дают одинаковые средние значения емкости магазинов. Истинное распределение числа гнезд свидетельствует о более широких требованиях потребителя.
В настоящее время глубже изучают требования потребителей, предъявляемые к станкам типа обрабатывающий центр и отдельно устройствам АСИ и АСЗ. Эти требования сводятся к:
- необходимости постоянного сокращения величин координатных движений различных узлов устройства АСИ;
- достижению максимального совмещения времени смены инструмента с временем работы станка;
- сокращению или исключению вообще при смене инструмента координатной установки по осям X и Y с целью достижения высокой соосности поверхностей детали при обработке отверстий разноразмерным инструментом;
- исключению влияния массы инструментов на точность станка;
- обеспечению удобного обслуживания магазина во время работы станка и безопасного наблюдения за процессом обработки;
- уменьшению загрязнения магазина и площади, занимаемой устройством автоматической смены инструмента;
- предусмотрению возможности увеличения вместимости магазина без существенного изменения основных узлов станка; обеспечению независимого (модульного) исполнения устройства АСИ.
Рис. 5. Гистограммы распределения емкостей инструментальных магазинов автоматической смены инструмента для обрабатывающих центров c B = 630 (а), 800 (б) и B = 1000 мм (в)
Инструментальные автооператоры станков с ЧПУ
На рис. 6 представлена классификация инструментальных автооператоров, которые являются важной составляющей автоматической смены инструмента. С помощью этих устройств инструмент захватывается для извлечения из магазина, перемещается к шпинделю и вставляется в него. При этих перемещениях возникают неравномерные движения, остановки, переходы от вращательного к поступательному движению и наоборот. При этом могут создаваться инерционные толчки, удары, действие которых усугубляется при возникновении зазоров в результате износа.
Рис. 6. Классификация инструментальных автооператоров
В этих условиях автооператоры должны обеспечивать надежное закрепление инструмента, легкое освобождение его, точность конечных положений пути инструмента из магазина в шпиндель и безударную установку инструмента (оправки) в шпиндель с сохранением безотказности в работе. В связи с этим для станков с ЧПУ с ограниченными возможностями по числу инструментов, точности и другим характеристикам, а также для удешевления станка применяют схемы без автооператора. В то же время при увеличении числа инструментов, повышении требований к станку по производительности, точности, удобству обслуживания, удалению стружки целесообразен вынос магазина автоматической смены инструмента на боковую или верхнюю поверхность станка, удаленную от рабочей зоны.
В этом случае можно применять автооператоры: простейшие рычажного типа без кантователей, когда ось инструмента параллельна оси шпинделя и магазин расположен на шпиндельной бабке (автооператор представляет собой рычаг с захватными устройствами, совершающий одно простейшее движение - вращательное или вращательное с поступательным); с кантованием в одной плоскости; с кантованием в двух плоскостях; с дополнительными транспортирующими устройствами (кроме кантователей или без них) в одном направлении; с дополнительными транспортирующими устройствами для перемещения в двух направлениях. Для переноса инструмента и установки его в шпиндель, когда ось инструмента занимает положение, параллельное оси шпинделя и находится на относительно близком расстоянии от него (не более 250-300 мм), применяют поворотные автооператоры с захватными устройствами. На рис. 7 приводится классификация способов захвата автооператорами. Для привода автооператоров, кантователей и транспортирующих инструмент средств используют как механические, так и гидравлические устройства.
Рис. 7. Классификация способов захвата инструментов автооператора
Существуют в основном два типа захватных устройств с радиальным носовым зажимом. В отдельных случаях инструмент свободно укладывается в выемки губок захвата. Для радиального зажима используются цилиндрические части, кольцевая выточка на конце оправки инструмента или защитной втулки, надеваемой на конец инструмента. Для основного зажима используется фланец на конце оправки. Удержание инструмента в захвате автооператора может осуществляться с помощью сил трения при сжатии губок захвата. В некоторых случаях для большей надежности захвата применяют фиксирующие устройства. На рис. 8, а показан автооператор с радиальным зажимом. Инструмент 1 закрепляется в автооператоре с помощью губок 2 и 4. Зажим происходит при повороте губки 2 и нажатии на нее конического ролика 7. Этот ролик перемещается в осевом направлении под действием пружины 8, конусообразность ролика 7 обеспечивает самоторможение. Когда корпус автооператора подходит к шпиндельной бабке, стержень 6 упирается в упор 5, перемещает ролик 7 вправо, а губка 2 под действием пружины 3 поворачивается, освобождая инструмент. На рис. 8, б приведен автооператор с осевым зажимом и фиксатором. Зажим осуществляется за фланец 1 губками 2 и 3. На подвижной губке имеется фиксатор.
Подобный зажим чаще применяют в автооператорах с вращательным движением, так как в данном случае допускается возможность относительно близкого расположения инструментов в магазине. Устройство для закрепления инструментов в автооператоре приводится в движение от механических, гидравлических, а иногда комбинированных приводов. В последнем случае зажим производится от пружин, а отжим - от гидравлики.
Рис. 8. Захваты с радиальным (а) и осевым (б) зажимами
Автоматическая смена инструмента с позицией ожидания
В особую группу можно выделить устройство автоматической смены инструмента, где между магазином и автооператором имеется позиция ожидания. В этой промежуточной позиции может находиться инструмент, подготовленный для подачи в шпиндель, или инструмент, уже закончивший работу и ожидающий возврата в свое гнездо магазина.
Использование позиции ожидания обусловлено следующим. Поворот магазина для поиска нужного инструмента, перенос этого инструмента в позицию ожидания, а также поворот магазина для поиска сменяемого инструмента и перенос в это гнездо инструмента из позиции ожидания происходит во время работы станка. Это удобно в тех случаях, когда кодируются гнезда магазина, и потому нельзя вставить отработавший инструмент в гнездо, откуда только что извлекли другой инструмент.
Наряду с преимуществом такой способ смены инструмента имеет существенный недостаток: необходимо устанавливать добавочный автооператор для передачи инструмента из магазина в позицию ожидания и обратно. На схемах 1-7 (рис. 9) показана последовательность смены инструмента в станках. Добавочный автооператор ДА, расположенный внутри барабанного магазина м, имеет один захват. Смещаясь в радиальном направлении (схема 1), он захватывает оправку инструмента, находящуюся в магазине, и вытаскивает ее из гнезда (схема 2). Затем следует дополнительное радиальное перемещение (схема 3) автооператора до совмещения оправки с гнездом позиции ожидания По и продольный ход (схема 4). После фиксации оправки в гнезде добавочный автооператор возвращается в исходное положение. Все это время станок работает, выполняя очередной переход. После его окончания шпиндельная бабка ШБ поднимается в позицию смены инструмента. Основной оператор А, поворачиваясь на своей оси, одновременно вытаскивает оправки с инструментами из шпинделя и гнезда позиции ожидания и меняет их местами (схема 5-7).
Рис. 9. Устройство смены инструментов с использованием позиции ожидания: 1-7 - последовательность смены
Шпиндельная бабка подается в рабочую позицию, начинается следующий переход. В это же время поворотом магазина гнездо инструмента, занимающего позицию ожидания, подводится в позицию смены, добавочный автооператор переносит инструмент из него в магазин. Происходит поиск следующего инструмента, и он доставляется в позицию ожидания. Рассмотрим устройство смены инструментов с использованием позиции ожидания на горизонтальном обрабатывающем центре (рис. 10). Магазин размещен на боковой стороне стойки, и оси инструментов в магазине и шпинделе взаимно перпендикулярны. Поэтому позиция ожидания выполнена в виде гнезда, поворачивающегося относительно вертикальной оси. Основной и добавочный автооператоры совершают перемещения во взаимно перпендикулярных плоскостях.
Рис. 10. Устройство смены инструментов с использованием позиции ожидания горизонтальных обрабатывающих центров
Инструмент, предназначенный для подачи в шпиндель, подается в позицию смены поворотом дискового магазина М. Дополнительный автооператор движением в направлении стрелки 1 захватывает инструментальную оправку и ходом 2 вытаскивает ее из магазина. Следует движение 3 автооператора до совмещения оси инструментальной оправки с осью гнезда позиции ожидания. Ходом 4 оправки с инструментом подаются в гнездо. Дополнительный автооператор возвращается в исходное положение. Подготовка к смене инструментов, выполняемая во время работы станка, заканчивается поворотом гнезда позиции ожидания по на 90° вокруг вертикальной оси - из положения 1 в положение п(новое положение гнезда показано на схеме тонкими линиями) - движение 5. По окончании работы инструмента, находящегося в шпинделе, автооператор А, поворачиваясь относительно горизонтальной оси (движение 6), захватывает одновременно оправки сменяемого и нового инструмента, вытаскивает их (ход 7) из гнезда и шпинделя и, поворачиваясь на 180° (ход 8), меняет их местами. Ходом 9 оправки подаются в гнездо позиции ожидания и шпиндель Ш.
Для возврата отработавшего инструмента в магазин гнездо по поворачивается на 90°, и вступает в работу добавочный автооператор. В станке принята система кодирования гнезд магазина: каждый инструмент должен быть возвращен в свое гнездо. Поэтому во время выполнения рабочего перехода и смены инструмента в шпинделе осуществляется поиск нужного гнезда магазина. Инструмент сменяется при любом положении шпиндельной бабки, так как магазин перемещается по вертикальным направляющим стойки станка совместно со шпиндельной бабкой.
Конструкторам вертикального станка Mitsui Seiki VP4A (Япония) удалось совместить в одном узле функции дополнительного автооператора, кантователя и позиции ожидания (рис. 11). Корпус дополнительного автооператора закреплен на конце штока гидроцилиндра Ц и может поворачиваться относительно горизонтальной оси. В начале цикла смены инструмента добавочный автооператор находится в крайнем левом положении. Он захватывает оправку с инструментом из гнезда дискового магазина М и перемещается вправо. Здесь корпус добавочного автооператора опрокидывается в положение, показанное на схеме, и инструмент оказывается в позиции ожидания. В нужный момент автооператор А производит смену инструментов в шпинделе Ш - захват поворотом вокруг своей оси, вытаскивание, поворот на 180°, смену.
Рис. 11. Устройство смены инструментов комбинированным автооператором
На обрабатывающих центрах, предназначенных для обработки сложных заготовок, требующих использования многих десятков инструментов, часто устанавливают несколько магазинов ограниченной емкости вместо одного. Это позволяет уменьшить габариты и упростить конструкцию каждого из них, сократить время поиска инструмента. Вместе с тем усложняется смена инструментов.
В станках Cincinnati - Milacron (США) (рис. 12) предусмотрена возможность установки от одного до трех цепных инструментальных магазинов (М1-М3) емкостью по 30 шт. Все магазины одинаковой конструкции, т.е. использован модульный принцип проектирования.
Для смены инструментов использован принцип смены из позиции ожидания. Поворотное гнездо позиции ожидания по размещено так же, как автооператор А, на шпиндельной бабке ШБ. Смена инструмента производится при любом положении шпиндельной бабки. Это достигнуто за счет установки дополнительного автооператора, имеющего в отличие от других устройств с позицией ожидания не только движения для переноса инструментов из магазина в эту позицию и обратно, но и еще одно движение - вертикальное по специальным направляющим стойки. Добавочный автооператор может забрать оправку с инструментом из гнезда любого магазина (для этого он поворачивается на горизонтальной оси - движение 1 на схеме, вытаскивает оправку с инструментом из магазина - ход I) и перенести на уровень позиции ожидания, где вставить оправку в ее гнездо (движения II-IV). После этого вместе с оправкой поворачивается, и подготовка к смене инструмента заканчивается. Непосредственно смена инструментов в шпинделе выполняется, так же как во многих других станках, автооператором А.
Рис. 12. Устройство автоматической смены инструмента для обрабатывающего центра с тремя магазинами
Устройства смены инструментов в станках с ЧПУ включают в себя накопители необходимых инструментов (шпиндельная револьверная головка, многопозиционный резцедержатель, инструментальный магазин, склад-стеллаж), автооператоры или манипуляторы с захватными механизмами, зажимные механизмы в шпинделе или резцедержателе, транспортирующие механизмы и устройства управления, обеспечивающие автоматический цикл поиска необходимого инструмента, передачу его в рабочую зону станка, установку в определенной позиции в инструментальном шпинделе или резцедержателе, контроль состояния во время рабочего цикла и возврат в конце цикла в накопитель или на склад.
Данные устройства должны обеспечить точность и стабильность положения инструмента в шпинделе или резцедержателе, жесткость и надежность его закрепления, минимальное время смены инструментов, достаточно большую емкость накопителя, компактность конструкции, возможность унификации и агрегатирования. Конструкции устройств смены инструментов разнообразны и могут быть выполнены с автооператором или без него. Смена инструментов без автооператора чаще всего представляет собой многопозиционный резцедержатель или револьверную шпиндельную головку, в которых предварительно устанавливают необходимый набор инструментов. В процессе обработки детали на станке резцедержатель или револьверная головка периодически поворачивается и фиксируется. В зависимости от направления оси вращения они могут быть горизонтальными, вертикальными или наклонными. В отличие от резцедержателя с неподвижно закрепленными инструментами, в револьверных головках шпиндель, находящийся в рабочей позиции, приводится во вращение от главного привода станка.