animateMainmenucolor
activeMenucolor
Главная / Фрезерный станок с ЧПУ / Фрезерный Станок С Автоматической Сменой Инструмента (изучаем АСИ)

Фрезерный Станок С Автоматической Сменой Инструмента (изучаем АСИ)

Фрезерный станок с автоматической сменой инструмента

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

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.

Смена шпиндельного узла фрезерного станка

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.

Автоматическая смена инструмента фрезерного чпу

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.

Устройство смены инструмента фрезерного 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.

Смена инструмента в шпинделе фрезерного станка

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.

Смена инструмента

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).

Цепной инструментальный магазин

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.

Магазин на шпиндельной бабке фрезерного станка

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.

Магазин на шпиндельной бабке фрезерного станка

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.

Комбинированные устройства для смены инструмента фрезерного станка

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.

Комбинированное устройство автоматической смены инструмента:

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

Особенности устройства автоматической смены инструмента

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