Значительно ускорить процесс переноса и смены инструментов при размещении магазина вне рабочей зоны станка можно с помощью специального устройства, называемого автооператором. При смене инструментов с помощью автооператора упрощаются условия защиты инструментов и гнезд магазина от загрязнения, загрузки, обеспечивается совмещение поиска инструмента для последующей обработки с машинным временем и достигается ряд других преимуществ, правда, за счет некоторого усложнения конструкции станка, его отладки и обслуживания. Наиболее часто в качестве устройства смены инструмента применяют двухзахватный автооператор. По исполнению различают устройства автоматической смены инструмента для многооперационных станков с параллельным расположением инструмента и с угловым расположением, причем первый вариант является более распространенным. При этом автооператор может иметь либо выдвижные руки, либо невыдвижные. В первом случае захват инструментов происходит за счет одновременного выдвижения обеих рук (рис. 1), а сам автооператор остается неподвижным. Извлечение инструментов из гнезда магазина М и шпинделя Ш осуществляется обычно одним из двух способов: за счет осевой подачи автооператора (рис. 1, а) или за счет складывания рук движением их по дуговым траекториям (рис. 1, б).
Рис. 1. Смена инструмента автооператором с выдвижными руками: а - с осевой подачей автооператора; б - со складыванием рук (1 - выдвижение рук; 2 - движение извлечения оправок; 3 - поворот автооператора на 180°)
Во втором случае при смене инструментов автооператор совершает ход в направлении магазина (рис. 2, а), захватывает оправку инструмента, находящегося в гнезде, и извлекает ее в направлении оси в соответствии с циклом работы (рис. 2, б). Отработавший инструмент из шпинделя захватывается при ходе автооператора в противоположном направлении и извлекается также подачей автооператора вдоль оси шпинделя.
Рис. 2. Смена инструмента с подачей автооператора: 1 - ход автооператора к магазину; 2 - извлечение инструмента осевым ходом автооператора; 3 - ход автооператора к шпинделю; 4 - извлечение инструмента из шпинделя; 5 - поворот автооператора на 180°; 6 - введение оправки в шпиндель; 7 - ход автооператора к магазину; 8 - введение оправки в магазин; 9 - возврат автооператора в исходное положение (ИП)
Применяется и другая схема, в которой автооператор не имеет поступательного перемещения, а при смене инструментов он поворачивается вокруг своей оси, одновременно захватывает инструменты из магазина и шпинделя, и затем ходом вдоль оси извлекает их (рис. 3). Вторая схема отличается более простым циклом работы автооператора, но ее недостатком является возможность задевания инструментов, расположенных в соседних гнездах магазина, что приводит к необходимости увеличивать расстояние между гнездами, т. е. уменьшать емкость магазина. При выдвижном исполнении рук автооператора удается сочетать простой цикл смены с максимальным заполнением магазина инструментами; при этом несколько усложняется конструктивное исполнение механизмов.
Рис. 3. Смена инструмента с захватом инструментов поворотом оператора вокруг своей оси
Замена инструментов во всех случаях осуществляется поворотом автооператора вокруг своей оси на 180°, в результате чего к шпинделю подводится сменяющий инструмент и цикл смены завершается в обратном порядке следования движений.
Обрабатывающие центры с ЧПУ с выдвижным шпинделем могут иметь вариант, основанный на использовании относительных перемещений руки и шпинделя во время смены инструмента. Шпиндель при этом выдвигается к неподвижной руке после ее поворота для приема нового инструмента или замены использованного, а осевое перемещение автооператора отсутствует.
Для всех рассмотренных исполнений устройств автоматической смены инструментов необходимо цикл смены осуществлять только при одном определенном положении шпиндельной бабки. В крупных станках это обстоятельство является существенным недостатком т. к. приводит к значительным потерям времени на подвод бабки в позицию смены. Такого недостатка лишены устройства, руки автооператоров которых имеют возможность перемещения не только в направлении, параллельном осям магазина и шпинделя, но и по стойке станка вверх и вниз (рис. 4), а также в горизонтальной плоскости между магазином и шпинделем.
Рис. 4. Устройство смены инструмента с автооператором, подвижным по двум осям: 1 и 3 - поворот автооператора для захвата инструмента; 2 - поступательное перемещение автооператора между магазином и шпинделем
Захватывая и извлекая инструмент из магазина аналогично рассмотренным выше способам, каретка передвигается по стойке в положение напротив шпиндельной бабки. При смене другая рука автооператора извлекает отработанный инструмент из шпинделя, после чего происходит поворот автооператора и смена инструментов. Большая часть цикла может быть совмещена с машинным временем. Недостатки же такой компоновки - это сложность конструкции автооператора, обусловленная большим количеством движений.
В многооперационных станках с угловым расположением инструментов возникает необходимость производить поворот инструмента в процессе смены в положения, параллельные оси шпинделя. Закрепленные в оправках инструменты вставляются при загрузке станка в гнезда магазина, преимущественно барабанного типа, размещенного наверху стойки станка (рис. 5). При попадании в позицию смены гнездо поворачивается в горизонтальное положение и ось инструмента становится параллельной оси шпинделя. Далее автооператор, действуя по одному из рассмотренных выше вариантов, осуществляет обмен инструментов между шпинделем и гнездом магазина. Если кодируется гнездо магазина, то перед подачей отработанного инструмента в свое гнездо необходимо повернуть свободное гнездо на 90° вверх, произвести поиск гнезда отработавшего инструмента, а затем установить гнездо в горизонтальное положение. Все это время шпиндель находится в позиции смены и не работает, что приводит к заметному возрастанию времени на смену инструмента, которая возможна только при одном, чаще верхнем, положении шпиндельной бабки.
Рис. 5. Поворот гнезда магазина при смене инструмента при его угловом расположении последнего
Вертикальное или наклонное положение инструмента в магазине вместо горизонтального дает определенные преимущества: магазин с инструментами имеет меньшие размеры в плане, упрощается удержание оправки в гнезде магазина, чему способствует сила тяжести, снижается опасность травматизма наладчиков, обслуживающих станок.
В некоторых многооперационных станках магазин размещен непосредственно на корпусе шпиндельной бабки с горизонтальным шпинделем. Емкость магазина обычно не превышает 16÷24 инструментов. Достоинство такой компоновки состоит в том, что шпиндельную бабку и каретку автооператора не нужно перемещать при смене инструментов, что позволяет получить наименьшее время на установку нового инструмента (рис. 6).
Рис. 6. Размещение магазина на шпиндельной бабке
Но консольное, относительно стойки, расположение шпиндельной бабки, вызывающее неравномерную жесткость шпинделя при расточке отверстий, значительность и переменность массы магазина и возможность передачи вибраций при поиске инструмента существенно снижают возможности достижения высокой точности обработки.
Рис. 7. Схема поворотного автооператора в станках вертикальной компоновки
В станках с вертикальным шпинделем и горизонтальным размещением оправок в магазине перевод сменяемого инструмента из одного положения в другое осуществляется либо поворотом автооператора относительно горизонтальной оси (рис. 7), либо с помощью криволинейного паза - копира, обеспечивающего постепенное опускание и поворот автооператора перед сменой инструмента, либо автооператором с угловым положением оси поворота (рис. 8). В последнем случае для извлечения инструментов из шпинделя и магазина используется поступательное выдвижение автооператора, согласованное с одновременным выдвижением его рук, в результате чего извлекаемые оправки перемещаются параллельно соответственно осям шпинделя и гнезда магазина.
Рис. 8. Схема смены инструмента на базе автооператора с угловым положением оси поворота и сложением движений: 1 и 1’ - движение захвата соответственно первой и второй руки; 1P и 1P’ - выдвижение рук; 1А - осевое движение автооператора; 2P и 2P' - движение извлечения оправок автооператором; 2A - осевое движение автооператора; 3 - поворот автооператора на 180°; 4 и 4' - введение оправок в гнезда; 5 и 5' - отвод рук; У и У’ - поворот автооператора на 90° соответственно из исходного положения и в исходное положение после завершения смены
В тяжелых многооперационных станках с боковым положением магазина для смены инструментов при любом положении шпиндельной бабки применяется подвижная в вертикальном направлении траверса, изогнутая под прямым углом. С помощью зубчато-реечной передачи по направляющим траверсы 1 перемещается каретка автооператора 2 (рис. 9). Извлечение инструмента из магазина осуществляется захватом автооператора в крайнем положении каретки на траверсе, после чего траверса поднимается или опускается в положение напротив шпинделя 3. Все это может происходить во время обработки, по окончании которой осуществляется смена инструментов.
Рис. 9. Схема смены инструмента с боковым размещением магазина
Особое место занимают устройства автоматической смены инструментов с позицией ожидания между магазином оператором (рис. 10). В этой промежуточной позиции может находиться инструмент, подготовленный для передачи его в шпиндель, или инструмент, извлеченный из шпинделя после завершения обработки или ожидающий возврата в гнездо магазина. Использование таких конструкций обусловлено возможностью совмещения машинного времени с временем на поворот магазина для поиска необходимого инструмента, перенос этого инструмента в позицию ожидания, а также поворот магазина при возврате извлеченного из шпинделя инструмента, находящегося в позиции ожидания. Это удобно при кодировании гнезд магазина, при которой нельзя устанавливать обрабатывающий инструмент в гнездо, освободившееся после извлечения другого инструмента.
Рис. 10. Автоматическая смена с позицией ожидания: 1 - захват инструмента в магазине автооператора (АО2); 2 - извлечение инструмента; 3 - перемещение инструмента к позиции ожидания; 4 - введение инструмента в позицию ожидания; 5 - захват инструментов автооператором (АО1) поворотом; 6 - извлечение инструментов из позиции ожидания и шпинделя; 7 - поворот автооператора (АО1) на 180°; 8 - введение инструментов в шпиндель и позицию ожидания
Существенным недостатком такого способа смены инструмента является необходимость установки добавочного автооператора (АО2) для перемещений инструментов между магазином и позицией ожидания, хотя этот автооператор и имеет более простую конструкцию, т. к. снабжен только одним захватом. Смещаясь в радиальном направлении, он захватывает оправку в магазине, извлекает ее осевым поступательным перемещением, после чего дополнительным смещением в радиальном направлении доводит ее до совмещения с гнездом позиции ожидания, куда оправка вводится обратным осевым ходом. После фиксирования оправки в гнезде захват дополнительного автооператора возвращается в исходное положение. Все эти манипуляции совмещены с машинным временем. Гнездо позиции ожидания может быть и подвижными поворотным. В первом случае магазин размещается в плоскости торца шпиндельной бабки, что усложняет обслуживание и работу станка. Во втором случае магазин вынесен за стойку (бабку) станка. В результате, кроме удобств в эксплуатации, станок становится более компактным.
Известны конструкции станков с вертикальным шпинделем, в которых в одном узле совмещены функции дополнительного автооператора, кантователя и гнезда позиции ожидания.
Автоматическая смена инструментов с позицией ожидания применяется и на крупных многооперационных станках, предназначенных для обработки очень сложных заготовок, требующих использования многих десятков инструментов. При этом часто станок снабжается несколькими магазинами ограниченной емкости вместо одного большого. За счет некоторого усложнения процесса смены достигается уменьшение габаритов и упрощение конструкции каждого магазина, сокращается время поиска нужного инструмента и габариты станка. Все магазины на станке унифицированы, т. е. имеют одинаковую конструкцию. Гнездо позиции ожидания размещено на шпиндельной бабке (рис. 11), поэтому смена рабочего инструмента осуществляется при любом положении шпиндельной бабки. Дополнительный автооператор смонтирован на каретке, имеющей вертикальное перемещение по специальным направляющим стойки. Непосредственно смена инструментов в шпинделе выполняется так же, как и в большинстве других станков.
Рис. 11. Смена инструментов с позицией ожидания на шпиндельной бабке и несколькими магазинами
Стремление удалить инструментальный магазин от рабочей зоны многооперационного станка привело к появлению устройств автоматической смены, в которых, кроме основного автооператора, введен так называемый промежуточный носитель, обеспечивающий связь между шпиндельной бабкой и магазином. Промежуточный носитель может перемещаться по направляющим, расположенным непосредственно на станке или на отдельно стоящей траверсе (портале). Такая компоновка создает удобства при загрузке-разгрузке инструмента, наладке, наблюдении за состоянием инструмента, а при необходимости - для временного извлечения его для поднастройки на размер и т. д. Все или большинство механизмов автоматической смены расположены отдельно от станка и их работа не влияет на функционирование самого станка.
Главный недостаток таких конструкций - громоздкость, большая занимаемая производственная площадь. Применение их оправдано в высокоточных станка, где требуется надежная защита от вибраций.
Особо сложным случаем обеспечения автоматической смены инструментов является организация подачи инструмента из магазина не в один, а в два шпинделя станка, расположенные взаимно-перпендикулярно. Наличие таких шпинделей в значительной степени расширяет технологические возможности многооперационного станка, позволяя в том числе производить обработку с пяти сторон без переустановки детали и не применяя сменные насадные головки.
Смена инструментов выполняется основным и дополнительным автооператорами, а также с использованием гнезда позиции ожидания, которое наделяется, кроме того, функциями промежуточного кантователя, т. е. поворачивает нужный инструмент в положение, параллельное соответствующему положению того шпинделя, куда он должен быть установлен (рис. 12). Поворотным является и сам основной автооператор (на рис. 12 - не показан), который перед заменой инструмента в одном из шпинделей должен быть установлен в положение с осью поворота руки, параллельной этому шпинделю.
Рис. 12. Упрощенная схема смены инструмента с поворотной позицией ожидания для обслуживания двух взаимно-перпендикулярных шпинделей
В системе автоматической смены инструмента с автооператором обычно можно разместить большее количество тяжелых инструментов, чем в системе без автооператора, поэтому в таких системах необходимо более тщательно следить за стойкостью, износом и поломками инструмента.
Предпочтительнее, когда инструментальный магазин размещен на боковой стороне стойки, хотя в некоторых случаях его масса при таком размещении может способствовать увеличению погрешности обработки.
Некоторые станки снабжаются сменными магазинами, преимущественно барабанного типа. При размещении магазина сбоку от стойки обеспечивается удобный доступ и при наполнении магазина или замене инструментов его можно поворачивать и во время работы станка.
Для определения неисправного инструмента может применяться специальная система проверки с использованием динамометрических опор шпинделя, измеряющих три составляющие усилия резания. Такими опорами могут быть, например, гидростатические радиальные и упорные подшипники, в карманы которых включены датчики давления. Сигналы с датчиков обрабатываются на анализаторе устройства ЧПУ, начальные значения запоминаются и затем сравниваются с фактическими значениями при резании. Применение такого устройства позволяет определять износ, поломку инструмента, выкрашивание режущей кромки, т. е. предотвращать работу неисправным инструментом до возникновения брака.
Все большее внимание на станках уделяется проверке фактического состояния инструмента. Если степень износа (например, по сравнению начально заданных и фактических значений некоторых параметров) достигает недопустимого значения, процесс обработки блокируется. Однако, если обработка уже началась, то цикл завершается полностью (в случае отсутствия поломки).
Для многооперационных станков, встраиваемых в гибкие автоматизированные системы, подача инструмента может осуществляться с помощью управляемого от СЧПУ устройства, в том числе и во время работы станков, которое обеспечивает произвольный обмен отдельными инструментами между центральным накопителем, содержащим более 100 инструментов, магазинами станков емкостью на 40÷50 инструментов и подвижной станцией для сбора. Поэтому в такой системе для каждого станка возможен произвольный доступ к любому из имеющихся в наличии инструментов.
Получил распространение принцип инструментальных модулей в виде палет инструментов. Каждая палета несет до 70 дополнительных инструментов и может быть помещена на склад. Если возникает потребность в дополнительных инструментах, то управляемая от СЧПУ тележка забирает соответствующую палету со склада и подает ее на заданную позицию станка. Автооператор, обычно портального типа, перемещает инструменты из палеты в магазин станка. Такая система может быть приспособлена и к уже имеющимся станкам. Номенклатуру сменяемых инструментов расширяет и автоматическая смена всего магазина. Такой прием используется на заводах-автоматах. При этом магазины емкостью 30÷40 инструментов автоматически сменяются на многооперационных станках с помощью портального автооператора, который расположен над станком и может обслуживать несколько единиц технологического оборудования.
На отдельном многооперационном станке номенклатура сменяемых инструментов расширяется с помощью автоматического устройства для смены дисков, на каждом из которых устанавливается до 20 и более инструментов. Таких дисков в магазине может быть до четырех. Различные диски могут быть поданы посредством поворотного устройства. Время смены отдельного инструмента - 10 с, а смены всего диска - до 20 с.
