Рост доли обрабатывающих центров в станочном парке машиностроительных производств приводит к увеличению внимания к состоянию и тенденциям развития этого оборудования, к вопросам автоматизации системы инструментообеспечения обрабатывающих центров, как отличительной черты этого вида станков. В статье сформированы признаки классификации инструментальных магазинов, предложена структура их классификации, проведен краткий анализ и обоснование тенденций развития систем автоматической смены инструментов.
Для создания запаса инструментов, необходимых для обработки различных заготовок, применяют инструментальные магазины различной емкости, в зависимости от того какое назначение имеют станки и обрабатывающие центры с ЧПУ. Для обработки деталей с незначительным количеством поверхностей достаточно нескольких инструментов, а для обработки сложных корпусных изделий, требующих несколько перепозиционирований, со множеством точных отверстий и поверхностей, необходимо несколько десятков инструментов.
Основной отличительной особенностью обрабатывающих центров от станков с ЧПУ является система автоматической смены инструментов (АСИ). В состав системы автоматической смены инструмента входят:
- инструментальные магазины станка с ЧПУ, являющиеся локальными накопителями инструментов;
- перегружатели, предназначенные для загрузки разгрузки инструментов в шпиндель станка из ячейки магазина-накопителя (эту роль могут выполнять автооператоры или роботы).
При детальном рассмотрении инструментального обеспечения обрабатывающих центров, был выявлен тот факт, что, несмотря на многолетнее использование этого вида станочного оборудования, до сих пор не выработан единый подход к определению видов магазинов - накопителей инструментов. В различных литературных источниках можно встретить достаточно вольные трактовки: «звёздный», «звёздчатый» тип, «круглый» и «овальный» вид магазинов и т.д., отсутствуют даже предположения о схеме классификации инструментальных магазинов.
Для того чтобы внести ясность в определение того или иного вида инструментального магазина (ИМ), необходимо провести внимательный и подробный анализ имеющегося оборудования и выделить признаки классификации ИМ.
В первую очередь, следует выделить конструктивное оформление инструментальных магазинов, и этому способствует четкое деление, заложенное в самом принципе, в конструкции: стеллажные, барабанные, цепные.
Стеллажные конструкции представляют собой стационарные магазины, часто отдельно, рядом стоящие у станка, и определение этого вида конструкций, как правило, не вызывает затруднений.
При необходимости использования значительного количества инструмента, магазин-накопитель разделяют на основной и дополнительный. Во втором случае реализации инструментальных магазинов также часто используют стеллажные конструкции. Практическое удобство такого деления можно сравнить с основной и оперативной памятью компьютера.
Например, в моделях ProdMod's (Mikron Швейцария) дополнительный стеллажный накопитель инструментов сконструирован в виде кругового подвесного стеллажа, и рассчитан на 120, 170 или 220 мест. Инструмент загружается снаружи через шлюзовую дверь. Время замены инструмента менее 3 секунд, время от реза до реза составляет около 5 секунд.
Инструментальные магазины-накопители станков с ЧПУ в виде барабанов могут быть круглыми или иметь грани, но при этом они имеют единое конструктивное решение, позволяющее перемещать инструмент только по окружности.
Любая другая траектория перемещения инструмента может быть разделена на сочетания угловых (круговых) и линейных перемещений (рис. 1).
Рис. 1. Траектории перемещения инструмента в инструментальном магазине обрабатывающего центра
Реализация такого сочетания перемещений возможна только при помощи цепи. Следовательно, при любой, отличной от окружности, траектории перемещений инструмента («овальные», «квадратные» и прочие) исполнение инструментального магазина может быть только цепным.
Следующим признаком классификации нужно выделить рядность инструментального магазина и подразделять на однорядные и многорядные конструкции. Такое деление не производится для стеллажной конструкции инструментального магазина, но для барабанного и цепного ИМ имеет широкое распространение.
Часто можно встретить определение барабанного однорядного магазина (рис. 2) как «дискового» из-за его внешней схожести.
И, третьей отличительной характеристикой инструментальных магазинов, можно считать направление установки инструмента в конструкции.
Рис. 2. Барабанные инструментальные магазины с однорядным (а) и многорядным (б) исполнением
Стеллажные инструментальные магазины с успехом применяемые в многоцелевых станках, предусматривают как горизонтальное, так и вертикальное положения хранения инструментов. Такое деление приемлемо только для стационарных стеллажных конструкций инструментальных магазинов. Учитывая различное местоположение цепных и, особенно, барабанных инструментальных магазинов в конструкции станков (рис. 3), подобное деление для этих видов инструментальных станочных накопителей является слишком условным и упрощённым.
Рис. 3. Местоположение инструментального магазина в конструкции станков
Становиться очевидным, что следует подразделять не положение инструмента в пространстве или системе станка, а его положение относительно самого инструментального магазина обрабатывающего центра.
В барабанных магазинах есть чётко выраженная ось вращения ось траектории перемещения инструментов, в цепных магазинах она достаточно условна. Поэтому ссылаться на перпендикулярность или параллельность оси перемещения инструментов, наверно, также не представляется возможным. В этом случае единым критерием является расположение инструмента относительно торцов, граней накопителей, что даёт возможность проводить деление накопителей по расположению инструмента параллельно или перпендикулярно торцам инструментального магазина.
Таким образом, определились три признака классификации инструментальных магазинов:
- по конструктивному исполнению;
- по рядности конструкции;
- по расположению инструмента.
В результате анализа разнообразных видов инструментальных магазинов, возникает следующая структура классификации ИМ (рис. 4).
Рис. 4. Классификация инструментальных магазинов станков с ЧПУ
Стоит добавить немного о технических средствах смены инструментов. Для стеллажных конструкций это, как правило, роботы. Для цепных и барабанных инструментальных магазинов-накопителей используют более простые, но и более надёжные автооператоры.
Интересны изменения, происходящие в конструкциях токарных обрабатывающих центров. Ещё недавно к традиционной токарной обработке были добавлены функции фрезерования за счёт размещения над рабочей зоной барабанов с осевыми инструментами, сегодня не редкость встретить расширение технологических возможностей станка за счёт использования цепных магазинов (станки фирмы HAMUEL, компании Nakamura-Tome).
Некоторые инженерно-консалтинговые компании стали использовать терминологию токарно-фрезерные станки и фрезерно-токарные, характеризуя центры для обработки тел вращения и корпусных деталей соответственно. По сути, функции оборудования не только расширяются, но и практически перекрываются вне зависимости от первоначального назначения оборудования, ставящегося первым в названии группы станков.
Чтобы понять направления дальнейших путей развития систем инструментообеспечения обрабатывающих центров, необходимо учитывать, что обработка ведется в условиях незавершенного производства.
Потери от связывания оборотных средств Пос в незавершенном производстве при обработке партии заготовок можно определить как:
Пос=Сдет(Тцпр/Фд)kпт
где Сдет - заводская себестоимость партии заготовок, руб.; Тцпр - производственный цикл изготовления партии заготовок, учитывающий трудоёмкость механообработки партии и время пролёживания заготовок между операциями, ч.; Фд - действительный фонд времени работы оборудования, ч.; kпт - коэффициент потерь от связывания оборотных средств в незавершенном производстве, (равен 0,1-10% годовых).
Таким образом, потери от связывания оборотных средств в незавершенном производстве пропорциональны величине партии деталей и особенно ощутимы при высокой стоимости деталей, одной из составляющих которых является технологическая себестоимость обработки.
Установка инструмента «про запас» значительно снижает коэффициент использования режущего и вспомогательного инструмента, а также увеличивает потери от связывания оборотных средств, которые более ощутимы при эксплуатации группы многоцелевых станков, где они возрастают в п раз.
Использование широкого ассортимента инструментов необходимо либо в условиях многономенклатурного производства (при значительных конструктивных отличиях и различных материалах партий заготовок), либо в узкоспециализированном производстве, связанном с многоинструментальной обработкой (при необходимости смены большого количества инструмента в процессе обработки одной заготовки). В этих случаях используют оборудование с цепным инструментальным магазином. Это приводит к значительному снижению коэффициента использования режущего и вспомогательного инструмента, его обороту в незавершённом производстве, и увеличению потерь от связывания оборотных средств. Такие потери ещё более ощутимы при эксплуатации группы многоцелевых станков, где они возрастают в n-ное число раз.
При нехватке количества гнёзд в цепных магазинах используют стеллажные накопители. Однако из-за значительной стоимости комплектов инструментов с оправками (порой превышающей стоимость самого инструмента) вместо применения такого вида накопителей может быть организовано инструментообеспечение за счёт использования центрального склада инструментов. Это объясняет ограниченное использование обрабатывающих центров со стеллажными конструкциями инструментальных магазинов-накопителей.
Отсюда объясняется ограниченное использование обрабатывающих центров со стеллажными конструкциями инструментальных магазинов - накопителей.
Кроме того, подтверждается актуальность задачи обоснованного выбора технологического оборудования, учитывая теперь не только вид инструментального магазина, но и количество гнёзд накопителя инструментов. Принцип «чем больше, тем лучше» перестаёт действовать. Наглядным примером являются фрезерные обрабатывающие центры с ЧПУ компании FANUC, выпускающей станки с однорядными инструментальными барабанами для 14 инструментов, максимум для 21. Это рационально в случае конструктивного сходства или большой партии обрабатываемых заготовок. При этом время смены инструментов сокращено до 1,8 секунды. Таким образом, кроме сокращения затрат на обеспечение многоцелевого станка несколькими комплектами редко используемых инструментов, можно получить сокращение вспомогательного времени и повысить отдачу дорогостоящего оборудования.
Цепные инструментальные магазины
Цепной магазин емкостью на 100 инструментов имеет станок 2А622МФ2. Механизм автоматической смены инструмента (рис. 5) состоит из магазина в виде транспортера 1, промежуточного носителя инструмента 2 и манипулятора 3. Инструментальный магазин установлен отдельно от станка за стойкой и представляет замкнутую цепь, составленную из 100 звеньев.
Рис. 5. Расположение цепного магазина станка 2А622МФ2
Каждое звено (рис. 6) имеет направляющие ролики и посадочное место для установки втулки с инструментом. Привод цепного транспорта осуществляется от электродвигателя постоянного тока через червячный редуктор и приводную звездочку. Так как оси инструментов в магазине расположены перпендикулярно к оси шпинделя, то с помощью носителя осуществляется кантование инструментальных оправок.
Рис. 6. Соединение звеньев цепи инструментального магазина
В данной конструкции предусмотрено кодирование гнезд транспортера, которые перенумерованы. Для автоматического определения номера гнезда имеется датчик, установленный на каретке носителя инструмента. Цепь транспортера вращает специальную звездочку, на одном валу с которой имеется цепь. Последняя сцеплена со звездочкой датчика номера звена для грубой установки соответствующего звена транспортера в зону носителя инструмента. Для точной установки имеется дополнительное устройство на каждом звене - ферромагнитный упор, действующий на индуктивный датчик, установленный на каретке носителя. По сигналу этого датчика (когда входное напряжение становится равным нулю) осуществляется точная установка звена.
Каждое звено имеет механизм фиксации втулки инструментальной оправки в соответствующем посадочном месте звена. Носитель (рис. 7) инструмента снимает промежуточную втулку с инструментальной оправкой с гнезда транспортера, переносит и кантует инструментальную оправку, а также переносит и кантует обрабатывающий инструмент и укладывает его в гнезда транспортера. Носитель инструмента установлен на каретке, которая перемещается на вертикальных направляющих стойки станка. На каретке закреплена балка, по которой в горизонтальном направлении перемещается тележка с носителем. Тележка приводится в движение гидроцилиндром и далее через реечно-зубчатую передачу и звездочку движение передается на цепь, связанную с тележкой носителя. Носитель имеет три фиксированных положения при перемещении в горизонтальном направлении:
- смена инструмента, ближайшего к шпинделю;
- закладка и съем с транспортера;
- промежуточное исходное положение.
Носитель представляет собой автооператор с одинарным захватом. Захватное устройство оператора может поворачиваться вокруг горизонтальной и вертикальной осей.
Рис. 7. Носитель инструмента, выполняющий роль кантователя и транспортирующего устройства
Поворот вокруг горизонтальной оси используется для взятия с транспортера и установки на него инструментальной оправки. Привод для поворота носителя в наклонное положение осуществляется от гидроцилиндра через зубчато-реечную и зубчатую передачу. В этой передаче имеется сектор 1 с пазами, в которые входят ролики стержня-носителя при подходе тележки носителя к транспортеру. Движение ролика 2 пo пaзу сектора вызывает наклон носителя к транспортеру.
Когда тележка носителя подходит к шпиндельной бабке, ролик рычага поворота выходит из паза червячного сектора 1 и входит в криволинейный паз направляющей, расположенной ниже тележки. Этот криволинейный паз вызывает поворот захватывающего устройства вокруг вертикальной оси на 90° для установки оси инструмента параллельно оси шпинделя. Для автоматического путевого управления тележкой, а также положением носителя имеются конечные выключатели. В каретке носителя со стороны транспортера установлен датчик грубой и точной остановки транспортера, датчик наличия или отсутствия инструментальной оправки в гнезде транспортера, гидроцилиндр для фиксации и освобождения промежуточной втулки инструмента в транспортере и захватного устройства в носителе. Для изъятия инструмента из носителя, переноса его к шпинделю и установки в шпинделе имеется двухзахватный манипулятор 1 (рис. 8). Для этой цели используют три гидроцилиндра:
- 7 - для поворота манипулятора на 90° в исходное положение и из исходного положения;
- 5 - для перемещения его вдоль оси, параллельной шпинделю;
- 3 - для поворота на 180°.
Путевое управление гидроцилиндрами осуществляется с помощью конечных выключателей, на которые воздействуют перемещающиеся цилиндры в крайних положениях. Также с помощью конечного выключателя осуществляется управление зажимом и освобождение инструмента из шпинделя. Управление захватным устройством с радиальным зажимом осуществляется с помощью рычага 6 и ролика 4. Набегание последнего на скос вызывает поворот рычага и радиальное перемещение стержня 2.
Рис. 8. Привод автооператора
Переходная втулка (рис. 9), закрепляемая на конусе инструментальной оправки, опирается на посадочное место в цепи транспортера поверхностью 1, а поверхностью 4 - в захватіном устройстве носителя. Оправка удерживается во втулка с помощью защелки, на которую действуют пружины 5. Защелка запирается планкой 2. Освобождение оправки осуществляется путем нажима на палец 3. Движение последнего вызывает перемещение планки 2.
Рис. 9. Переходная втулка со средством закрепления инструментальной оправки в цепном магазине
Цепной магазин станка 2623ПМФ4 на 50 инструментов смонтирован на отдельном фундаменте. К сварному каркасу прикреплены направляющие 2, 8 (рис. 10), в пазах которого перемещаются ролики 1, 3, 7 со звеном 6. В каждом звене устанавливается инструмент 5 с кодовыми кольцами. Поворот захвата вместе с инструментом осуществляется с помощью гидроцилиндра 1.
Рис. 10. Привод кантователя к цепному инструментальному магазину
Схема работы автооператора изображена на рис. 11, где последовательность приемов показана цифрами со стрелками.
Движение 1 - выдвижение рук для захвата одновременно инструментов в шпинделе и в гнезде магазина. Движение 2 - путем поворота захватов извлечение инструмента из шпинделя и магазина. Инструмент движется по дуге. Движение 3 - поворот автооператора на 180° вокруг своей оси. Движение 4 - поворот захвата на 90° для установки нового инструмента в шпиндель и отработавшего - в магазин. Движение 5 - возвращение захвата в исходное положение. Движение 6 - поворот автооператора на 180° в начальное положение.
Рис. 11. Схема работы механизма автоматической смены инструмента станка 2623ПМФ4
