Фрезерный Станок С Автоматической Сменой Инструмента (изучаем АСИ)

К механизмам автоматической смены инструментов станков относятся устройства, содержание набор необходимых инструментов, чаще всего магазины, шпиндельные револьверные головки, накопители, стеллажи и т. д.; автооператоры, захватные устройства; транспортирующие устройства; зажимные устройства в шпинделе и в автооператорах; кодирующие устройства, обеспечивающие изъятие определенного инструмента из магазина и установку его в определенное гнездо магазина после рабочего цикла; механизмы привода вращательных и возвратно-поступательных относительных перемещений магазинов, захватов и т. д.

Механизмы автоматической смены инструмента станков по металлу должны обеспечивать стабильность точного и жесткого положения инструмента в шпинделе после его закрепления; надежность закрепления инструмента в шпинделе, а также надежность работы всех звеньев АСИ; минимальное время смены инструментов; возможность изменения емкости магазина; возможность унификации и встройки с минимальными изменениями в различные компоновки станков (механизм АСИ изготовляют в виде отдельного агрегатного узла); компактность конструкции; хорошую защиту посадочных мест инструментов от повреждений и загрязнений; удобство обслуживания и соблюдения требований техники безопасности.

Фрезерный станок с автоматической сменой инструмента - это оборудование фрезерной группы имеющее в своем составе инструментальные магазины, являющиеся накопителем инструментальных оправок, блоков режущих инструментов или инструментальных шпинделей, а также автооператоров, предназначенных для съема и установки инструментов в шпинделе (суппорте) станка или магазине.

В общем случае устройства автоматической смены инструмента (АСИ) фрезерных станков с чпу состоят из следующих компонентов: инструментальных магазинов, являющихся накопителями инструмента (блоков режущего и вспомогательного инструмента для инструментальных шпинделей); инструментальных манипуляторов, предназначенных для смены инструмента в шпинделе станка; промежуточных транспортных манипуляторов, предназначенных для передачи инструмента от магазина к инструментальным манипуляторам или к промежуточным позициям - накопителям инструмента.

Основные требования, предъявляемые к инструментальным магазинам, фрезеров с автоматической сменой инструмента чпу следующие:

• достаточная вместимость;
• высокая точность позиционирования инструмента в рабочем органе станка;
• легкость и удобство загрузки магазинов и хороший доступ к ним;
• минимальное время, затрачиваемое на смену инструмента;
• высокая надежность;
• наименьшее число координат при смене инструмента.

Вместительность инструментальных магазинов весьма различна, начинается от 6 шт и может превышать 160 шт. Наименьшую вместимость имеют револьверные головки, а наибольшую - барабанные и цепные магазины. Конструктивные исполнения устройств автоматической смены инструмента зависят от типов станков, рабочей зоны расположения шпинделя, необходимого числа и типа инструментов.

Используются три типа устройств автоматической смены инструмента фрезерного станка с чпу:

• устройство для смены шпиндельного узла;
• устройство для смены инструмента в шпинделе станка
• комбинированные устройства для смены инструмента.

Станки с автоматической сменой инструмента располагающие устройством для смены шпиндельного узла подразделяются на устройства с револьверными головками (рис. 1) и с дисковыми магазинами (рис. 2). В револьверных головках инструменты устанавливаются в требуемой последовательности обработки заготовки. Автоматическая смена инструмента осуществляется расфиксацией, поворотом и фиксацией револьверной головки. Инструменты, как правило, закрепляются в гнездах магазина и не меняются в течение всего времени обработки партии заготовок. Магазин является рабочим органом станка, воспринимающим силы резания.

Рис. 1. Автоматическая смена инструмента фрезерного чпу в виде револьверной головки

При применении револьверных головок в фрезерных станках с чпу, необходимость наличия инструментальных и транспортных манипуляторов, а также промежуточных накопителей отсутствует. Преимуществом таких устройств автоматической смены инструмента являются простота конструкции, минимальное время, необходимое для смены инструментов (1–3 с), отсутствие устройства автоматической смены инструмента в шпинделе станка.

Рис. 2. Устройство смены инструмента фрезерного станка в виде дискового магазина

Недостатки подобного типа смены инструмента станка:

• небольшое число инструментов;
• ограниченность рабочей зоны (поскольку подача инструмента осуществляется перемещением револьверной головки);
• невысокая жесткость инструментальных шпинделей.

По положениям осей револьверных головок эти устройства подразделяются на головки с горизонтальной и вертикальной осями вращения. Наиболее широкое применение получили револьверные головки с горизонтальной осью вращения (на многоцелевых станках с вертикальным шпинделем).

Устройства для смены шпиндельного узла в виде дискового магазина используются с горизонтальной, вертикальной или наклонной осью поворота. Шпиндели поочередно присоединяются к приводу, обеспечивающему вращение и подачу шпинделя (рис. 2). При смене инструмента шпиндель отсоединяется от привода. Магазин поворачивается в положение, при котором очередной шпиндель устанавливается соосно со шпинделем привода и присоединяется к последнему.

Преимуществом фрезерных станков с автоматической сменой инструмента посредством магазина шпиндельных гильз перед устройствами с револьверными инструментальными шпиндельными головками является увеличение числа инструментов, большая жесткость шпинделя, меньшие ограничения зоны обработки, поскольку подача инструментов осуществляется перемещением гильзы шпинделя.

По сравнению с устройствами АСИ со сменой инструмента в шпинделе станка, устройство автоматической смены инструмента с магазином шпиндельных гильз имеет меньшую жесткость шпинделя из-за необходимости увеличения вылета инструмента, меньшую вместимость магазинов, необходимость при смене инструмента отвода заготовки на значительное расстояние от шпинделя. На инструмент, находящийся в магазине, возможно попадание стружки и пыли.

Устройства для смены инструмента в шпинделе станка состоят из магазинов накопителей инструмента и устройств различных конструкций для автоматической его установки из магазина в шпиндель станка и обратно.

На небольших и средних фрезерных станках с чпу применяются наиболее простые конструкции устройств автоматической смены инструмента, в которых смена осуществляется относительным перемещением магазина и шпинделя станка (рис. 3). Применение таких устройств на фрезерных станках с автоматической сменой инструмента, исключает наличие сложного узла - манипулятора, работающего в сложном цикле, требующего многих блокировок и точных фиксаций.

Рис. 3. Смена инструмента путем относительного перемещения шпинделя: станок горизонтальный сверлильно-фрезерно-расточной с ЧПУ

Это повышает надежность работы, но увеличивает время смены инструмента фрезерного станка, так как время поиска требуемого инструмента не может быть совмещено с временем работы станка.

Магазины устройств автоматической смены инструмента с манипулятором подразделяются на дисковые,барабанные и цепные. Дисковые магазины (рис. 3) применяются с горизонтальной, вертикальной и наклонной осями вращения.

Барабанные магазины выполняются многоярусными (в виде этажерок) с вертикальной осью вращения с горизонтально установленными инструментами.

Цепные магазины выполняются вертикальными, горизонтальными или наклонными различной конфигурации (рис. 4).

Рис. 4. Цепной инструментальный магазин горизонтально обрабатывающего центра

Наибольшей вместимостью обладают барабанные и цепные магазины.

Магазины накопители инструментов могут быть установлены на стойке (колонне) станка, сверху или сбоку, вне станка или на шпиндельной бабке. Расположение магазина на шпиндельной бабке (рис. 5) не требует дополнительных перемещений манипулятора, шпиндельной бабки или магазина для обеспечения необходимого взаимного положения магазина и шпинделя при смене инструмента, которая осуществляется при любом положении шпинделя. Однако, в связи с большой массой магазина, имеют место значительные потери времени на вспомогательные ходы шпиндельной бабки.

Рис. 5. Магазин на шпиндельной бабке фрезерного станка

При установке магазина вне шпиндельной бабки (рис. 3) смена инструмента осуществляется при перемещении шпиндельной бабки по окончании очередного перехода в позиции смены инструмента, что увеличивает время между переходами, а также снижает точность обработки на величину повторяемой точности позиционирования шпиндельной бабки.

Инструментальные манипуляторы (рис. 6), предназначенные для смены инструмента в шпинделе станка, по числу захватов подразделяются на одно-, двух- и многозахватные. Наиболее широкое применение получили двух-захватные манипуляторы.

Рис. 6. Схема смены инструмента манипулятором: 1 - инструмент; 2 - манипулятор; 3 - магазин; 4 - шпиндель

С целью увеличения эффективности устройств автоматической смены инструмента, повышения их надежности и снижения стоимости на фрезерных станках с чпу используют устройства АСИ, выполненные в виде законченных унифицированных автономных узлов (модулей), которые не зависят от компоновки конкретного станка и могут поставляться как самостоятельные узлы к различным моделям станков с ЧПУ. Они могут устанавливаться на станине или колонне станка, или на отдельном фундаменте. Применение таких устройств позволяет максимально унифицировать конструкции многоинструментальных станков с ЧПУ.

Фрезерный станок с автоматической сменой инструмента, при котором магазин агрегатированных автономных устройств АСИ находится вне станка на отдельном фундаменте обеспечивает большую вместимость магазина, удобство его обслуживания и исключает, вследствие отсутствия связи со станком, влияние переменного веса комплекта инструмента и вибраций при перемещении магазина для поиска инструмента во время работы станка, а также влияние температурного фактора на точность обработки. Значительное расстояние магазина от рабочей зоны станка обеспечивает предохранение инструментов от попадания стружки, эмульсии, чугунной пыли и т. д.

Такие устройства обеспечивают смену шпиндельного узла и инструмента в шпиндельном узле (рис. 7). В их состав входят:

• револьверная головка, поворот которой на 1800 обеспечивает смену всего шпиндельного узла;
• установленный на инструментальной бабке магазин с манипулятором, предназначенным для смены инструмента в одном из шпинделей револьверной головки во время обработки заготовки инструментом, установленным в другом шпинделе.

Автоматическая смена инструмента осуществляется в любом его положении относительно стола станка.

Рис. 7. Комбинированное устройство автоматической смены инструмента: 1 - револьверная головка; 2 - магазин; 3 - манипулятор; 4 - шпиндельная бабка

Несмотря на большое число конструкций автоматической смены инструмента (АСИ), их можно систематизировать по укрупненным признакам. В таблице на рис. 8 известные решения автоматической смены инструмента в схемном варианте представлены в зависимости от компоновки обрабатывающего центра и расположения инструментального магазина относительно станка. Выбраны три компоновки станков: одношпиндельный обрабатывающий центр с горизонтальным вариантом расположения шпинделя; одношпиндельный обрабатывающий центр с вертикальным вариантом расположения шпинделя; двухстоечные портальные фрезерные станки с ЧПУ и вертикальным вариантом расположения шпинделя. Схем расположения инструментальных магазинов четыре:

• расположение магазина на подвижной части станка, т.е. на шпиндельной бабке;
• неподвижное расположение магазина на стойке в верхней ее части;
• расположение магазина на боковой стороне стойки станка;
• автономное расположение магазина рядом со станком, на отдельном фундаменте.

Каждая схема имеет свой код.

Рис. 8. Классификация устройств автоматической смены инструмента

Особенностью первого конструктивного устройства автоматической смены инструмента на шпиндельной бабке в том, что она имеет ограниченность по вместимости, которая не превышает 25 гнезд. Автооператор, осуществляющий смену инструмента, встраивается в корпус бабки. Такое решение позволяет осуществлять смену инструмента без схода шпиндельной бабкой с координаты, повышая точность обработки соосных отверстий; при этом сокращается время смены инструмента «от реза до реза».

Вторая схема компоновок автоматической смены инструмента также предназначена для размещения ограниченного числа инструмента (до 30), однако симметричное размещение его на стойке снижает до минимума Влияние массы инструмента на точность обработки и не требует дополнительной площади станка. Автооператор имеет вертикальное переносное движение инструмента. Смена инструмента выполняется в верхнем положении шпинделя, и поэтому данный вариант не имеет достоинств, отмеченных в первой схеме.

В варианте третьей схемы используют в основном цепные магазины, позволяющие варьировать их емкость в пределах до 60 гнезд. Автооператоры выполняют автономными. Их можно разделить по характеру движения на поворотные и перемещающиеся по траверсе. Поворотные автооператоры представляют собой каретку с встроенной механической рукой, поворачивающейся параллельно оси Y. Такой автооператор обеспечивает смену инструмента на постоянной позиции и используется только на станках малых и средних размеров. У автооператоров, Выполненных в виде целевого робота, каретка перемещается по траверсе от магазина к шпинделю. Имеются примеры использования подобных конструкций автооператоров на станках различных размеров с шириной стола 500...1600 мм. Смена инструмента возможна как в постоянной, обычно средней, позиции, так и в любом положении шпиндельной бабки.

Рассмотренные конструкции устройств автоматической смены инструмента созданы для конкретных станков. Наряду с ними стали появляться модульные системы устройств АСИ с различной степенью унификации. В своё время, фирма «Сангстренд» (США) разработала систему модулей обрабатывающих центров «Серия-80». Устройства автоматической смены инструмента фрезерного станка, органически входящие в систему, состоят из отдельно стоящего цепного магазина и автооператора, перемещающегося по траверсе от магазина к шпинделю. Смена инструмента осуществляется в постоянной позиции, определяемой расположением траверсы, которое постоянно для всех типоразмеров станков. Для выполнения смены инструмента стойка отходит в крайнее положение, а шпиндельная бабка перемещается по оси Y в позицию смены. Инструментальный магазин имеет модификации по емкости на 60, 90 и 120 инструментов.

Стандартное устройство автоматической смены инструмента фирмы «Кельи» (ФРГ) состояло из магазина барабанного типа и расположено консольно на направляющих автооператора с двухзахватной механической рукой. В комплект устройства входила также система управления. При встройке в станок устройство АСИ может располагаться в горизонтальном или вертикальном положении с соответствующим изменением положения оси поворота инструментального магазина, что позволяет использовать устройство автоматической смены инструмента для станков с вертикальным и горизонтальным расположением шпинделя. Магазин имеет различную вместимость в зависимости от исполнения посадочного конуса инструментальной оправки (24 инструмента для конуса 40, 20 инструментов для конуса 45 и 16 инструментов для конуса 50). Инструмент заменяется в постоянной позиции смены, которая определяется расположением направляющих автооператора. Устройство смены инструмента может осуществлять поиск нужного инструмента способом, выбираемым системой управления.

В Германии были разработаны три типа унифицированных устройств автоматической смены инструмента, предназначенных для различных компоновок обрабатывающих центров. Первый тип устройства АСИ (ESWW) предназначен для станков средних размеров вертикальной и горизонтальной компоновки. Инструментальный магазин и автооператор выполнены в виде автономных узлов, не связанных механически между собой или со станком. Магазин инструментов цепной и может выполняться с одной или двумя цепями (во втором случае магазин поворачивается вокруг вертикальной оси). В каждую цепь можно установить 40 или 60 инструментов. Автооператор выполнен с двумя захватами, расположенными под прямым углом. Смена инструмента осуществляется в постоянной позиции шпиндельной бабки радиальным выдвижением захватов, осевым перемещением автооператора и поворотом его на 90°. Ширина стойки ограничивается ходом выдвижения захватов, накладывая тем самым ограничение на номенклатуру станков, обслуживаемых системой.

Устройства автоматической смены инструмента второго типа (IWW) применяют на станках малых размеров при небольшой потребности в инструментах. Они имеют барабанный инструментальный магазин на 20, 24 или 28 инструментов, устанавливаемый на стойку или на шпиндельную бабку, и автооператор, встраиваемый в стойку или шпиндельную бабку. Третий тип устройства автоматической смены инструмента предназначен для двухстоечных станков с вертикальным рабочим шпинделем и состоит из инструментального магазина (дискового или цепного) и отдельно стоящего автооператора. Во всех трех типах устройств АСИ смена инструмента осуществляется в определенном положении шпиндельной бабки, что увеличивает время «от реза до реза» и снижает точность обработки соосных отверстий. Выбор инструмента в магазине осуществляется в зависимости от принятого метода кодирования. Кодироваться могут гнезда магазина и инструмент.

Кодирование гнезда магазина может выполняться непосредственно или косвенно. В первом случае счет гнезд производится с помощью кулачков, укрепленных на магазине, и считывающего устройства (системы конечных выключателей бесконтактного типа). При бесконтактном методе считывания кода в качестве считывающего устройства могут использоваться фотоэлементы, пневматические или индуктивные считывающие головки. Во втором случае счет гнезд выполняют с помощью устройства в приводе, вращающемся синхронно с магазином. Преимущество такого способа кодирования - возможность использования простых стандартных инструментальных оправок; недостатки: загрузка магазина занимает много времени, при этом не исключена возможность ошибки в установке инструмента; необходимость возвращать использованный инструмент в свое гнездо связана с дополнительными перемещениями магазина. Последний недостаток отсутствует в устройстве фрезерного станка с автоматической сменой инструмента, где при возврате использованного инструмента в памяти ЧПУ происходит перекодировка гнезд магазина.

Кодирование инструментальных оправок осуществляется с помощью элементов (набором колец, проточек, лысок и т.п.). Для кодирования инструментальных оправок используют (рис. 9) набор колец 1, размещаемых впереди хвостовика 2 оправки, что увеличивает длину оправки. Первые пять колец определяют группу инструмента, вторые пять - номер инструмента в группе. При помощи этой системы можно закодировать 961 инструмент. Можно осуществлять кодирование инструментальных оправок, не увеличивая длину оправки (рис. 9, б). Для кодирования используют также и хвостовик инструментальной оправки (рис. 9, в). При этом считывание кодов выполняется бесконтактными индукционными датчиками.

Известно фотоэлектрическое устройство, преобразующее принятое световое излучение, отраженное от элемента сигнального кода, в электрический сигнал. На принципе применения фотоэлементов основано другое устройство бесконтактного кодирования, которое содержит экран, образованный равномерно расположенными на его поверхности фотоэлементами, и источник света. При прохождении через источник света очередного инструмента его проекция на экране вызывает срабатывание определенных фотоэлементов, сигналы от которых поступают на запоминающее устройство, где хранится информация об инструменте со свойственным только ему контуром, и далее - в блок сравнения. При кодировании этим методом инструмент может устанавливаться в любое гнездо магазина и в любой последовательности, что сокращает процесс загрузки, а отработавший инструмент может возвращаться в любое свободное гнездо без дополнительного перемещения магазина, причем поиск инструмента можно осуществлять по кратчайшему пути.

Рис. 9. Способы кодирования инструментальных оправок с размещением кодирующих элементов в передней части (а), средней части (б) и в конце (в) хвостовика

При соосном расположении инструментов в гнезде магазина и шпинделе обрабатывающего центра при смене инструментов достаточно повернуть магазин до совмещения гнезда магазина с осью шпинделя, а затем, перемещая шпиндель вдоль оси, вытолкнуть инструмент из магазина и закрепить в шпинделе. Возврат отработавшего инструмента в шпиндель выполняется в обратном порядке. Способ привлекает своей простотой, так как не требует транспортирующих механизмов. Схемы действия таких устройств показаны на рис. 10. Широко известно устройство, показанное на рис. 10, а. Магазин на 12 инструментов выполнен в виде массивного барабана с наклонной осью поворота. Ось инструментального гнезда, находящегося в момент смены инструмента в нижнем положении, совмещается с осью шпинделя. При движении вниз шпиндель захватывает инструмент за оправку и перемещает его к заготовке. Зажатие оправки в шпинделе производится автоматически.

При ходе пиноли шпинделя в верхнее положение инструментальная оправка с инструментом автоматически отсоединяется от шпинделя и остается в гнезде магазина. При крайнем верхнем положении шпинделя магазин поворачивается - происходит поиск следующего заданного программой инструмента. Угол поворота определяется номером гнезда, в котором находится нужный инструмент. После использования инструмент возвращается в то же гнездо. Поиск инструмента происходит при остановленном шпинделе (в его верхнем положении). Время на поворот магазина не совмещается с машинным временем.

Рис. 10. Смена инструментов при соосном (а-в) и параллельном (г, д) расположении в магазине и шпинделе

В станке горизонтальной компоновки фирмы Wyssbrod (Швейцария) ось магазина емкостью 20 инструментов расположена горизонтально (рис. 10, б). Выдача инструмента из магазина происходит при ходе вперед пиноли шпинделя - так же, как в схеме 10, а. Станок предназначен для обработки мелких точных заготовок. Аналогичный способ смены инструментов использован на вертикальном обрабатывающем центре фирмы Brown и Sharpe (США) (рис. 10, в).

Рассмотренный способ смены инструмента имеет существенные недостатки:

• пиноль шпинделя совершает длительные вспомогательные ходы, необходимые для подачи инструмента в рабочую зону; из-за увеличенного вылета жесткость шпиндельного узла недостаточна для точной обработки чугунных и стальных заготовок;
• максимальная емкость магазина при допустимых габаритных размерах ограничена необходимостью размещения гнезд для инструментальных оправок на значительном расстоянии друг от друга, иначе выступающие из них неработающие инструменты будут мешать инструменту в рабочей позиции;
• для поиска инструмента магазин должен отводиться от заготовки на значительное расстояние;
• инструментальный магазин находится в рабочей зоне станка или в непосредственной близости от нее. Режущий и вспомогательный инструмент и механизмы магазина легко загрязняются металлической пылью, разбрызгиваемой сож, мелкой стружкой.

Чтобы разместить инструментальный магазин вне рабочей зоны обрабатывающего центра, его поднимают над шпиндельной бабкой или выносят в сторону от нее, а иногда устанавливают на отдельную стойку. Во всех этих случаях оси инструментов в магазине и шпинделе обрабатывающего центра не совпадают, но могут быть параллельными между собой.

Горизонтальный фрезерный многооперационный станок 6305Ф4 (рис. 10, г) имеет дисковый магазин размещенный на вертикальных направляющих стойки над шпиндельной бабкой. По сравнению с рассмотренными способами смены инструментов здесь добавляется движение, необходимое для совмещения осей сменяемого инструмента и шпинделя. Дисковый магазин опускается и свободным гнездом - вырезом захватывает оправку сменяемого инструмента (перед этим происходит автоматическое раскрепление оправки в шпинделе). Вслед за этим ползунковая бабка перемещается вдоль оси шпинделя, и оправка с инструментом остается в гнезде магазина. Магазин поворачивается для поиска следующего инструмента по его месту в магазине (в программе кодируется номер гнезда). После совмещения сменяющего инструмента со шпинделем следует ход вперед ползунковой бабки, и инструментальная оправка закрепляется в отверстии шпинделя. Магазин поднимается за пределы рабочей зоны, шпиндель быстро подводится к заготовке.

Подобный способ смены инструмента приведен и для продольно-обрабатывающих станках. На обрабатывающих центрах Sass vertimatic (Италия) дисковый магазин расположен на боковой стойке и может совершать два движения: поворот для поиска сменяемого инструмента и перемещение вдоль своей оси для смены инструмента (рис. 10, д). После выполнения очередного перехода шпиндельная бабка совершает быстрый ход влево до совмещения оси отработавшего инструмента со свободным гнездом магазина. Магазин поднимается, забирает оправку с инструментом из шпинделя (к этому моменту оправка автоматически раскрепляется), опускается, поворачивается для поиска следующего инструмента и вновь поднимается, заталкивая его в шпиндель. Сейчас же следует закрепление в шпинделе. Магазин опускается в нижнее положение, а шпиндельная бабка совершает быстрый ход вправо для обработки очередной поверхности заготовки.

Общий недостаток двух приведенных схем - значительные потери времени на вспомогательные ходы магазина или шпиндельной бабки в связи с их большой массой.

Ускорить перенос и смену инструментов при размещении магазина вне рабочей зоны можно с помощью автооператора.

На обрабатывающих центрах с горизонтальным шпинделем таких как станок ИР500ПМФ4, станок ИР800ПМФ4, а также на зарубежных станках устанавливают инструментальный магазин М на стойку станка (рис. 11, а). Для связи магазина с шпинделем Ш станка используют автооператор А с двумя захватами. Существуют две принципиальные схемы работы автооператора.

В первой схеме (рис. 11, б) при смене инструментов автооператор совершает ход снизу вверх, захватывает оправку инструмента, находя. щегося в гнезде, и вытаскивает ее в направлении оси. Инструмент, находящийся в шпинделе, запирается нужным захватом при перемещении корпуса (каретки) автооператора вниз. Затем автооператор ходом вдоль оси шпинделя вытаскивает отработавший инструмент. Следует поворот автооператора вокруг своей оси на 180° - к шпинделю подводится сменяемый инструмент; ходом вдоль оси инструмент "заталкивается" в шпиндель, где автоматически закрепляется. После этого каретка автооператора передвигается вверх для переноса отработавшего инструмента в магазин.

Рис. 11. Устройства АСИ с автооператором для горизонтальных (а-в) и вертикальных (г, д) обрабатывающих центров

В другой схеме (рис. 11, в) автооператор не имеет вертикального перемещения. При смене инструментов он, поворачиваясь вокруг горизонтальной оси, одновременно захватывает инструменты из магазина и шпинделя, а затем ходом вдоль оси вытаскивает их, поворотом на 180° меняет местами и вставляет в магазин и шпиндель. Цикл смены заканчивается поворотом автооператора в горизонтальное - нейтральное положение, при котором он не мешает повороту магазина и вертикальному перемещению шпиндельной бабки.

Как видно, вторая схема отличается более простым циклом работы автооператора. Однако в ней есть и существенный недостаток: при повороте автооператор может задевать инструменты, расположенные в соседних гнездах магазина. Поэтому расстояние между гнездами, а следовательно, максимальное число инструментов в магазине одинакового диаметра D будет меньше, чем в схеме на рис. 11, б.

В станке СМ213 между шпиндельным ш станка и магазином м емкостью 30 инструментов расположен автооператор А, который при повороте забирает оправку с отработавшим инструментом из шпинделя (перед этим оправка раскрепляется) и сменяющий инструмент из гнезда (рис. 11, г). При ходе вниз автооператор вытаскивает оправки с инструментами из шпинделя и магазина, быстро поворачиваясь на 180° вокруг оси, меняет их местами и поднимает инструменты вверх в шпиндель и магазин. Затем автооператор поворачивается в среднее нейтральное положение, не мешающее вертикальным перемещениям шпинделя. Подобным устройством автоматической смены инструмента располагает станок типа обрабатывающий центр 2254ВМФ4.

Для увеличения емкости магазина без увеличения его диаметра используют двух- и мнoгoдисковые магазины. Так, например, в двухдисковом магазине станка фирмы Droopu Rein (ФРГ) размещается 40 инструментов (рис. 12, д). Недостаток компоновки - значительные размеры магазина по высоте и необходимость усложнения системы управления.

Рис. 12. Устройства автоматической смены инструмента с автооператором и магазином: а - дисковым; б - цепным

У большинства станков с рассмотренными устройствами АСИ смена инструментов может выполняться только при одном положении шпиндельной бабки. Этого недостатка не имеет устройство автоматической смены инструмента для крупных обрабатывающих центров с горизонтальным шпинделем и дисковым (рис. 13, a) или цепным (рис. 13, б) магазином. Захваты автооператора А могут выдвигаться из корпуса каретки, а вся каретка - перемещаться вверх и вниз на стойке станка и в направлении, параллельном осям магазина М и шпинделя Ш. В нижнем положении каретки, показанном на схеме, левый захват автооператора, выдвигаясь, захватывает инструмент из магазина. При ходе каретки вдоль оси инструмента он вынимается из магазина, и каретка передвигается по стойке в положение напротив шпиндельной бабки ШБ. Совершая аналогичный цикл движений, правый захват автооператора вытаскивает сменяемый инструмент из шпинделя, после чего происходит поворот автооператора и смена инструментов. Недостаток данной компоновки - размещение дискового или цепного магазина в непосредственной близости от рабочей зоны вместе, неудобном для загрузки и разгрузки магазина. Недостаток устройства Аси – сложность конструкции автооператора из-за необходимости получения раздельного движения захватов.

В этом случае приходится поворачивать инструмент в процессе смены в положения, параллельные осям шпинделя и магазина (рис. 13, а). Инструменты, закрепленные в оправках, вставляют при наладке станка в гнездо барабанного магазина, размещенного наверху стойки горизонтального обрабатывающего центра. Попадая в позицию смены инструмента, гнездо поворачивается в горизонтальное положение, и ось инструмента становится параллельной оси шпинделя. Цикл смены инструмента простой: из нейтрального положения автооператора А с помощью гидроцилиндра Ц1 и реечно-зубчатой передачи поворачивается относительно своей оси, захватывая одновременно оправки инструментов, находящихся в гнезде магазина и шпинделя. Затем с помощью гидроцилиндра Ц2 автооператор ходом вдоль своей оси вытаскивает инструменты из магазина и шпинделя, поворачивается вместе с ними на 180° и меняет инструменты местами. После возврата автооператора в нейтральное положение шпиндель начинает выполнение очередного перехода.

Рис. 13. Устройства автоматической смены инструмента при расположении магазина на стойке (а, б) и на шпиндельной бабке (в, г)

Отработавший инструмент подается в освободившееся гнездо, на место вынутого оттуда. Если кодируются гнезда магазина, то перед подачей отработавшего инструмента в свое гнездо потребуется повернуть освободившееся гнездо на 90° (вверх), магазин - в положение поиска гнезда отработавшего инструмента, а затем установить гнездо в горазонтальное положение. Все это время шпиндель не работает, и время на смену инструмента существенно возрастает. Смена инструмента возможна только при одном - верхнем положении шпиндельной бабки ШБ. Такая схема устройства АСИ использована на станках MA260Ф4.

Вместо барабанного магазина может быть установлен цепной (рис. 13, б).

Вертикальное (или наклонное положение инструмента в магазине взамен горизонтального имеет некоторые преимущества: магазин с инструментами имеет меньшие размеры в плане, упрощается удержание инструментальной оправки в гнезде магазина (этому помогает сила тяжести), меньше опасность травмирования наладчика, обслуживающего станок, в случае, если магазин начнет поворачиваться для поиска инструмента.

В некоторых обрабатывающих центрах инструментальный магазин размещают на корпусе шпиндельной бабки. Такую компоновку имеют, например, станки с горизонтальным шпинделем и барабанным (рис. 13, в) или цепным (рис. 13, г) магазином FQH 50А (ЧССР), 6305Ф4C2 (СССР) и др. Емкость магазина небольшая - обычно 16-24 инструмента. Достоинство компоновки - шпиндельную бабку или каретку автооператора не нужно перемещать при смене инструментов. Но боковое по отношению к стойке расположение шпиндельной бабки вызывает неравномерную жесткость шпинделя при изменении направления силы резания в процессе растачивания отверстий в корпусных заготовках. В сочетании со значительной и переменной массой магазина, возможностью передачи вибраций механизмов шпинделя при поиске инструмента это существенно затрудняет достижение высокой точности обработки.

Во многих обрабатывающих центрах применяют компоновки с боковым размещением инструментального магазина. Такая компоновка обусловлена удобством доступа к гнездам магазина для загрузки и разгрузки инструментов при переналадке станка или замены изношенного инструмента.

В станках FSP 50H/70H (Япония) автооператор поворачивается относительно двух осей (рис. 14, а). В положении А1 он поворачивает. ся вокруг вертикальной оси и захватывает оправку инструмента, находящегося в магазине М. Затем следуют повороты автооператора к шпиндельной бабке ШБ относительно горизонтальной оси в положение А2. Для смены инструментов шпиндельная бабка поднимается каждый раз в верхнее крайнее положение.

В станке 6A76ПМФ2 (рис. 14, б) автооператор А захватывает и движением вдоль своей оси извлекает оправку из гнезда цепного магазина емкостью 30 инструментов, поворачивается вокруг вертикальной оси, после чего вторым свободным захватом извлекает оправку с инструментом из шпинделя ш (при этом автооператор поворачивается относительно своей горизонтальной оси). Следует поворот автооператора А с инструментами на 180°, и нужный инструмент подается в отверстие шпинделя. Далее, уже во время работы шпинделя, автооператор переносит отработавший инструмент в гнездо магазина. Шпиндельная бабка ШБ этого станка не имеет вертикального перемещения, и инструмент сменяется за 5-6 с. Движения подачи получают горизонтальный и вертикальный поворотный столы станка.

Рис. 14. Устройства автоматической смены инструмента при боковом расположении магазина на горизонтальных обрабатывающих центрах

В вертикальном станке 243ВМФ2 (рис. 15, а) автооператор установлен в корпусе, который для перевода сменяемого инструмента в вертикальное положение поворачивается относительно горизонтальной оси (из положения А1 в положение А2). В станках других моделей для этого служит криволинейный паз - копир, обеспечивающий постепенное опускание и поворот автооператора перед сменой инструмента (рис. 15, б).

Емкость бокового магазина для рассмотренных схем обычно 20-30 инструментов, смена выполняется за 5-8 с.

Представляет интерес устройство АСИ для обрабатывающих центров с взаимно перпендикулярным расположением инструментов в магазине и шпинделе. Ось поворота О1 автооператора А расположена на половине угла между магазином М и шпинделем (рис. 15, в). Для вынимания и вставления инструментов автооператор движется параллельно оси шпинделя (вдоль оси О2). При этом он извлекает инструментальную оправку из дискового магазина в радиальном направлении. В устройстве АСИ этих станков предусмотрено кодирование инструментальных оправок. Автооператор установлен на шпиндельной бабке. На смену инструмента затрачивается около 9 с, а время «от стружки до стружки» в среднем вдвое больше.

Рис. 15. Устройства автоматической смены инструмента с дисковыми магазинами вертикальных (а, б) и горизонтального (в) обрабатывающих центров

Оригинально решена задача смены инструментов в устройстве, показанном на рис. 16. В отличие от ранее рассмотренных конструкций извлечение инструментов из шпинделя и магазина производится одновременным движением захватов автооператора вдоль осей инструментов. Достигается это следующим образом. Корпус автооператора 3 (рис. 16, a) имеет два движения: возвратно-поступательное вдоль оси О и вращательное вокруг этой же оси. Для перемещения вдоль оси служит гидроцилиндр, корпус 2 которого связан штырем 1 с корпусом автооператора, а шток 4 закреплен недвижно. Для поворота автооператора имеется гидроцилиндр (на схеме не показан), шток которого связан с рейкой 10, поворачивающей шестерню 9. Связь шестерни с корпусом автооператора обеспечивает шпонка 8 при выдвинутом переднем положении корпуса. Захваты 6 и 11 автооператора могут перемещаться рейками 5 и 12, связанными зубчатыми передачами с рейками, нарезанными на гильзе 13. Первый конец гильзы служит поршнем гидроцилиндра с неподвижным корпусом 7.

Рис. 16. Автооператор с поворотно-выдвижными захватами

На рис. 16, а автооператор находится в нейтральном положении. Захваты автооператора не мешают рабочим движениям шпинделя Ш станка и повороту магазина М для поиска инструмента. Цикл работы автооператора начинается с захвата инструментальных оправок (рис. 16, б). Масло под давлением подается по каналу кз в полость гидроцилиндра 7, застав. ляя поршень с гильзой 13 двигаться вправо. Зубья реек гильзы застав. ляют поворачиваться на своих осях зубчатые колеса, сцепленные с рейками захватов. Захваты 6 и 11 одновременно выдвигаются из корпуса автооператора и зажимают инструментальные оправки, находящиеся в шпинделе и магазине.

Начинается следующий элемент цикла - вытаскивание инструментальных оправок. Кинематика механизма смены инструментов обеспе. чивает движение захватов во взаимно перпендикулярных направлениях. в гидроцилиндр 2 подается масло под давлением по каналу К2. Корпус гидроцилиндра выдвигается вперед, увлекая за собой корпус 3 автоопе. ратора (рис. 16, в). зубчатые колеса катятся по рейкам неподвижной гильзы 13, захваты 6 и 11 постепенно выдвигаются из корпуса.

Таким образом, нужное направление движения инструментальных оправок обеспечивается сложением двух движений: осевого перемещения корпуса и выдвижения из него захватов.

Третий элемент цикла - поворот корпуса вокруг оси О для смены инструментов местами. В выдвинутом положении корпус автооператора сцепляется шпонкой 8 с шестерней 9. Гидроцилиндр поворота передвигает рейку 10 и поворачивает шестерню 9, а вместе с ней корпус автооператора с оправками инструментами на 180°. Оправка с фрезой занимает место перед шпинделем, а закончившее работу сверло оказывается у магазина.

Четвертый элемент цикла - подача оправок в шпиндель и магазин выполняется согласованным движением корпуса автооператора и захватов. Масло от насоса подается по каналу К1 в правую полость гидроцилиндра 2. Корпус гидроцилиндра перемещается вправо, увлекая за собой корпус автооператора. Одновременно с помощью зубчато-реечных передач происходит необходимое сближение захватов автооператора. В конце обратного хода инструментальные оправки вставляются в посадочное гнездо шпинделя и в магазин, где автоматически закрепляются.

Цикл завершается отводом захватов в нейтральное положение. Масло под давлением поступает через канал К4 в правую полость гидроцилиндра 7, заставляя гильзу 13 переместиться влево. Зубчато-реечные передачи отводят захваты от инструментальных оправок.

Задача смены инструментов при любом положении шпиндельной бабки в крупных обрабатывающих центрах с боковым расположением магазина (рис. 17) успешно решается применением подвижной траверсы Т, перемещающейся вверх - вниз по направляющей H стойки станка.

Траверса изогнута под прямым углом. Каретка KA автооператора А перемещается по направляющим траверсы с помощью шестеренчато-реечной передачи. В крайнем левом положении захват автооператора забирает инструмент из магазина и движением вдоль оси извлекает его. Затем происходит перемещение каретки КA по траверсе, которая в это же время поднимается или опускается в положение, где находится шпиндельная бабка. Правый захват вытаскивает инструмент из шпинделя. Затем происходит смена инструментов.

Рис. 17. Устройство автоматической смены инструмента для станков с подвижной траверсой каретки автооператора