animateMainmenucolor
activeMenucolor
Главная / ЧПУ станок / Автоматическая Смена Инструмента На Станках С Чпу

Автоматическая Смена Инструмента На Станках С Чпу

Автоматическая Смена Инструмента

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)