animateMainmenucolor
activeMenucolor
Главная / ЧПУ станок / Фрезерный ОЦ / Устройство Автоматической Смены Инструмента Обрабатывающего Центра

Устройство Автоматической Смены Инструмента Обрабатывающего Центра

устройство автоматической смены инструмента

Одной из характерных особенностей которой обладает обрабатывающий центр с ЧПУ является оснащение их механизмами автоматической смены инструментов для сокращения вспомогательного времени. Существуют различные компоновки, конструкции и схемы этих механизмов, свидетельствующие о том, что поиск оптимальных решений еще далек от завершения.

К устройствам автоматической смены инструментов предъявляют следующие требования: 1) минимальные затраты времени на смену инструментов; 2) высокая надежность работы; 3) достаточная емкость магазина при минимальной занимаемой площади; 4) механизм не должен ограничивать рабочий объем станка; 5) удобство обслуживания; 6) надежные предохранения инструментов и их посадочных мест от загрязнения и запыления; 7) возможность ручной смены инструментов.

Конструктивное и компоновочное исполнение устройств автоматической смены инструментов зависит главным образом от типа станка, расположения шпинделя, количества и типов применяемого инструмента, времени смены инструмента.

Компоновки этих механизмов в станках сверлильно-фрезерно-расточной группы принято разбивать на три основные группы механизмов:

  • с заменой всего шпиндельного узла;
  • со сменой инструмента в шпинделе станка;
  • комбинированные.

Смена инструмента с заменой шпиндельного узла

Устройства первой группы обычно выполняются либо в виде револьверной головки с набором шпинделей, либо в виде магазина, в котором размещаются шпиндельные узлы. Магазины шпиндельных гильз бывают барабанными и кольцевыми, либо линейными. При одинаковых диаметрах гильз в них смонтированы быстроходные шпиндели для легких работ и жесткие шпиндели для тяжелых работ. Гильзы поочередно занимают рабочее положение, при этом шпиндель соединяется с приводом главного движения, а гильза - с приводом подач. Схема смены гильз представлена на рис. 1.

K достоинствам такого способа смены инструментов следует отнести:

  • надежное и точное ручное крепление инструментов в шпинделях;
  • достаточно большое количество инструментов;
  • малое время смены (2,4-3 с).

Рис. 1. Магазин шпиндельных гильз в устройстве автоматической смены инструмента

Однако из-за существенных недостатков (ограниченность рабочего объема станка; высокая стоимость; невысокая точность обработки) такие механизмы не получили распространения.

Автоматическая смена инструментов с помощью револьверной инструментальной шпиндельной головки, в которой заблаговременно укреплены инструменты, осуществляется индексацией корпуса головки. К достоинствам таких устройств следует отнести малое время смены и возможность наиболее простым образом превратить любой станок с программным управлением в обрабатывающий центр, возможность установки шпинделей для тяжелых и легких работ. Цикл смены состоит из расфиксации револьверной головки и поворота с последующей фиксацией. На рис. 2 показаны расположение шпинделей и часть привода главного движения; поворот головки, фиксация и зажим осуществляются гидравлически.

Рис. 2. Револьверная шпиндельная головка обрабатывающего центра Middlеѕеx серии 400

В станке, показанном на рис. 3, поворот восьмипозиционной револьверной головки осуществляется мальтийским крестом, включающим фрикционную механическую муфту сцепления. Фиксация револьверной головки осуществляется коническим штифтом, западающим в сменные прецизионные конические втулки и управляемым от кулачка; зажим револьверной головки осуществляется у-образным периферийным кольцом с приводом от кулачка. Револьверная головка монтируется на каретке, совершающей вертикальные перемещения. В крайнем верхнем положении каретки револьверная головка автоматически расфиксируется, отжимается муфта привода вращения шпинделей, отводится и производится поворот револьверной головки до нужной позиции. При перемещении каретки вниз из крайнего верхнего положения происходит зажим револьверной головки и включение вращения рабочего шпинделя.

Устройства автоматической смены инструментов в виде револьверных шпиндельных головок обладают рядом недостатков:

  • ограниченное число инструментов (до 8 шт.);
  • ограниченность рабочей зоны;
  • недостаточная жесткость и точность сравнительно коротких шпинделей, которые могут быть размещены в головке.

Вследствие указанных недостатков обрабатывающие центры с револьверной шпиндельной головкой находят применение при обработке неточных деталей с ограниченным количеством инструментов.

Рис. 3. Обрабатывающий центр 3BH (Newall - Burgmaster)

Устройство смены инструмента в шпинделе станка

В настоящее время наибольшее распространение получили обрабатывающие центры с устройствами автоматической смены инструментов второй группы, состоящие в общем случае из инструментального магазина, загрузочного устройства для переноса инструментов от магазина в шпиндель и обратно и транспортного устройства для передачи инструмента из магазина к загрузочному устройству. Инструментальные магазины могут устанавливаться на шпиндельной головке, на колонке, на столе и за пределами станка.

При установке инструментального магазина на столе станка удается простейшим образом превратить станок с программным управлением в обрабатывающий центр с автоматической сменой инструмента. При этом для удобства смены оси инструментов в магазине располагают параллельно шпинделю станка.

Цикл автоматической смены инструмента состоит из позиционирования стола (при этом под шпиндель подводится свободное гнездо инструментального магазина), выталкивания отработавшего инструмента в это гнездо, позиционирования стола с захватом следующего инструмента ходом шпинделя (пиноль либо шпиндельная головка) с последующим возвращением следующего инструмента в рабочую зону. Механизмы автоматической смены инструмента такого типа не получили распространения из-за существенных недостатков: большие затраты времени на смену инструментов, увеличение объема программы и уменьшение полезной площади стола.

При расположении инструментального магазина на шпиндельной головке удается упростить загрузку и транспортирование инструмента из магазина в шпиндель и производить смену инструментов в любом положении шпиндельной головки.

На рис. 4 приведен обрабатывающий центр с инструментальным магазином в виде 12-позиционной револьверной головки, расположенной на шпиндельной головке. Магазин, вращаясь, подводит необходимый инструмент до совпадения его оси с осью шпинделя. Гильза шпинделя перемещается в отверстии шпиндельной головки, захватывает оправку с инструментом и выносит его из магазина. Выбор инструмента осуществляется автоматически от перфоленты. Кодируются гнезда магазина. При возврате гильзы вверх оправка с инструментом отсоединяется от шпинделя и остается в гнезде магазина. Для смены инструментов револьверный магазин поворачивается и перемещает новый инструмент в положение, соосное шпинделю.

Рис. 4. Обрабатывающий центр 40А/460-CNZ/2 (фирмы olivetti, Италия)

Принцип смены инструментов показан на рис. 5. Конструктивные элементы привода вращения шпинделя, привода подачи зажима инструмента идентичного механизма автоматической смены инструмента показаны на рис. 6.

Рис. 5. Револьверный магазин обрабатывающего центра фирмы Olivetti

По сравнению с механизмами первой группы, описываемые механизмы имеют следующие преимущества:

  • большая жесткость шпинделя, так как при одинаковом количестве инструментов шпиндель может быть большого размера;
  • большая точность обработки, так как гильза шпинделя перемещается в точном отверстии шпиндельной головки, т. е. исключены все ошибки, возникающие при индексировании револьверной шпиндельной головки;
  • увеличенный рабочий ход вследствие перемещения гильзы шпинделя; в случае револьверной головки ход ограничивается габаритами соседних инструментов;
  • передача главного движения производится по одной кинематической цепи;
  • простота и дешевизна.

Рис. 6. Револьверный магазин обрабатывающего центра NB20 (Wörner): а - внешний вид; б - схематичный разрез

Недостатки револьверных инструментальных магазинов: а) ограниченная емкость магазина; б) рабочая зона загромождена соседним-инструментом; в) работа шпинделя с большими вылетами снижает точность обработки; г) устройство автоматической смены инструмента не удается выполнить в виде автономного узла, вследствие чего удорожается и усложняется процесс создания обрабатывающих центров на основе базовых моделей станков с ЧПУ.

Устройство автоматической смены инструментов на 40 инструментов (рис. 7) состоит из двух магазинов дискового типа, в которых крепятся оправки с инструментами с помощью подпружиненных планок. Ручная загрузка и выгрузка инструментов из магазина осуществляется рычагом, расположенным на верхней крышке магазина. Оба магазина могут периодически поворачиваться относительно вертикальных осей, расположенных на значительном расстоянии от оси рабочего шпинделя.

Рис. 7. Обрабатывающий центр компании Giddings and Lewis модель 70a-NC-15v (Англия)

Транспортирование необходимого инструмента из магазинов в шпиндель осуществляется двумя челноками, имеющими по два захвата. Расстояние между захватами больше диаметра гильзы; выполнены они из двух гибких пластин. Инструментальные оправки имеют развитый круглый фланец, диаметр которого больше диаметра гильзы (рис. 8).

Рис. 8. Магазин обрабатывающего центра производителя оборудования Giddings and Lewis

Поиск необходимого инструмента осуществляется датчиком, связанным с поворотом магазина, т. е. принята система кодирования гнезд магазина. Привод вращения магазинов осуществляется от гидромоторов, перемещение челноков - от пары шестерня - рейка также с гидроприводом. Последовательность цикла смены инструмента приведена на рис. 9. Захват оправки 1 челноком происходит при движении шпинделя вверх. При этом фланец 5 оправки, прогибая нижнюю пластину захвата, проходит мимо нее и упирается в более жесткую верхнюю пластину, которая препятствует дальнейшему движению оправки. Шпиндель уходит вверх, а оправка с инструментом остается в захвате челнока. Фланец 5 выступает за пределы гильзы 6 и поэтому захваты 4 не препятствуют прохождению гильзы 6 шпинделя вниз. Подача нового инструмента и отвод сменяемого производятся челноками 3 и 7 одновременно. Рассмотрим работу механизма по позициям:

  • Перемещение обоих челноков 3 и 7 влево; челнок 3 перемещает в диск отработавший инструмент, а челнок 7 подает из магазина 8 к шпинделю новый.
  • При движении шпинделя вниз происходит зажим оправки патроном шпинделя с помощью пневмопривода.
  • Гильза 6, опускаясь вниз, проходит мимо захватов челнока 7 и производит обработку детали.
  • При подъеме гильзы 6 в исходное положение захваты челнока 7, задерживая оправку с инструментом, вынимают ее из шпинделя.
  • Перемещение обоих челноков 3 и 7 вправо; челнок 7 yносит оправку с отработавшим инструментом в магазин 8, а челнок 3 подает новую оправку из магазина 2 к шпинделю.

Рис. 9. Цикл смены инструмента на обрабатывающем центре 70a-NC-15v

Рассмотренный механизм обладает следующими достоинствами: 1) минимальное время смены инструмента; 2) простота конструкции; смена инструментов осуществляется простыми движениями, без применения автооператоров, т. е. загрузочных устройств.

Недостатки такого механизма:

  • рабочая зона станка загромождается инструментами, находящимися в магазинах;
  • пониженная точность обработки из-за необходимости обработки при больших вылетах шпинделя;
  • большой вес перемещающейся системы, что вызывает увеличение веса станка, усложняет станок и ухудшает его динамику;
  • механизм встроен в шпиндельную головку (не является отдельным узлом);
  • размещение механизма на шпиндельной головке отдаляет оператора от рабочей зоны, ухудшая условия установки и съема обрабатываемой детали и обслуживание магазина;
  • расположение инструментов в непосредственной близости от зоны обработки способствует повышенному их запылению и загрязнению.

Рис. 10. Устройство смены инструмента обрабатывающего центра (производитель Kolb)

В вертикальном обрабатывающем центре портального типа дисковый 30-позиционный инструментальный магазин монтируется на портале и, таким образом, связывается со шпиндельной головкой. Механизм автоматической смены инструмента этого станка представлен на рис. 10, а схема его работы - на рис. 11.

Рис. 11. Схема работы устройства автоматической смены инструмента

На торце шпиндельной головки укреплен двухпозиционный револьверный магазин, ось вращения которого наклонена под углом 45°; одна позиция магазина (расположенная горизонтально) - загрузочная, другая - рабочая. Загрузка очередного инструмента производится автооператором во время обработки, так что для смены инструмента необходимо поднять гильзу в крайнее верхнее положение (при этом отработавший инструмент остается в рабочем гнезде магазина) и затем произвести поворот револьверного магазина на 180°. Время поворота револьверного магазина 1-2 с. При перемещении гильзы вниз новый инструмент захватывается и закрепляется в шпиндель и подается в зону обработки. 30-позиционный инструментальный магазин поворачивается и подает очередной инструмент в зону загрузки-разгрузки, затем автооператор, перемещаясь вверх, захватывает одновременно два инструмента: отработавший из револьверного магазина и очередной и основного магазина, вынимает их и, поворачиваясь на 180°, меняет их местами. После этого автооператор перемещается вниз в исходное положение.

Инструментальный магазин представляет собой поворотный диск, в котором расположены 30 гнезд для хранения инструментов. Поиск необходимого инструмента осуществляется кодированием инструментальных оправок с помощью кодовых колец. Вертикальное перемещение, вращение захватов автооператора производится с помощью гидропривода.

Преимущества описанного механизма:

  • упрощена смена инструментов и сокращено время их смены вследствие удачной компоновки магазина и наличия револьверного магазина на шпиндельной головке;
  • механизм выполнен в виде автономного узла, что позволило его применять на серийных станках с ЧПУ; такое решение удешевляет и ускоряет производство обрабатывающих центров вследствие большой унификации с базовым станком (70-80 %).

Недостатки этих механизмов:

  • из-за наличия револьверного магазина существенно увеличивается при обработке вылет гильзы, что отрицательно сказывается на точности обработки;
  • затруднено обслуживание инструментального магазина.

Большое распространение имеют устройства с автоматической сменой инструментов, расположенные на колонне обрабатывающих центров. Причем для станков с горизонтальным расположением шпинделя и умеренной емкостью магазина (до 40 инструментов) механизмы выполнены конструктивно проще, чем для станков с вертикальным расположением шпинделя. Однако при большой емкости магазина (100 инструментов и более) магазин приходится выносить за пределы станка, что влечет за собой значительное усложнение загрузочных и транспортных устройств механизма автоматической смены инструмента горизонтальных станков.

Перед тем как приступить к описанию наиболее характерных представителей данной группы, остановимся на описании устройства двух главных составных частей механизма автоматической смены инструмента: инструментального магазина и автооператора. Инструментальные магазины этой группы обычно состоят из механизма вращения, системы поиска необходимого инструмента, узла крепления инструментов в магазине и собственно магазина.

Основным параметром инструментального магазина, определяющим его эксплуатационную характеристику, является его емкость n (этот параметр определяет количество инструментов, которое может быть размещено в магазине). Не менее важным параметром являются размеры инструментов (прежде всего их диаметр Dи), которые могут быть помещены в магазине.

Значения n и Dи для обрабатывающего центра того или иного типа и размера зависят от деталей, подлежащих обработке, размеров обрабатываемых плоскостей и отверстий, их точности, шероховатости поверхности и т. п.

При определении n и Dи для обрабатывающего центра модели 243ВМФ2 был изучен технологический процесс обработки значительного числа (порядка 80) деталей корпусного типа различных машин и приборов. Анализ технологических процессов изготовления этих деталей позволил определить количество (n) различных инструментов, применяемых при обработке каждой из них. Число применяемых инструментов колебалось в пределах 4-48 шт., в зависимости от сложности и точности детали. Результаты приведенного анализа приведены на рис. 12.

Рис. 12. Число применяемых инструментов в обрабатывающем центре

На основании проведенного анализа принято n=30. Такая емкость магазина обеспечивает обработку большинства обследованных деталей и габариты магазина, применяемые для обрабатывающего центра.

Рациональное проектирование деталей с учетом возможностей станков и их инструментальных магазинов позволяет во многих случаях уменьшать число потребных инструментов до 30 шт. Если 30 инструментов все же окажется недостаточно для обработки детали, то можно производить пополнение магазина вручную - вместо отработавших инструментов на их место в магазине устанавливать новые.

Анализ технологических процессов обработки позволил определить и геометрические размеры потребного инструмента. в большинстве случаев диаметр инструмента не превышает 65 мм (Dи ≤ 65 мм). Только незначительное число деталей требует инструмента с большим диаметром (Dи > 65 мм). В общем количестве инструментов различных габаритов инструменты диаметром более 65 мм не превышают 5-10%. Эти условия позволили принять шаг гнезд для инструмента в магазине равным 70 мм, обеспечивающим размещение всех 30 инструментов с Dи ≤ 65 мм. В случае необходимости применения инструментов с Dи > 65 мм следует оставлять свободными два соседних гнезда, по одному с каждой стороны гнезда, куда устанавливается инструмент большого диаметра, который в данном случае не должен превышать 130 мм.

После определения емкости магазина и размеров инструментов следует более подробно остановиться на типах инструментальных магазинов и системах поиска инструментов. Наиболее широко распространены инструментальные магазины следующих основных типов:

  • стационарные многорядные магазины, устанавливаемые, как правило, на столе обрабатывающего центра либо за его пределами; транспортировка и загрузка инструментов из магазина в шпиндель осуществляется взаимным перемещением стола и шпинделя; размеры магазина определяются количеством инструментов, диаметром гильзы станка и размерами инструментов;
  • круглые, поворотные, дисковые или барабанные, одно- или многорядные магазины; инструменты в них могут располагаться параллельно оси вращения магазина либо под углом (см. рис. 17). Основным недостатком поворотных магазинов является недостаточное использование площади; при большом количестве инструментов (более 50) габариты магазинов недопустимо велики.

Примером инструментального магазина дискового типа на 100 инструментов с хорошим использованием площади может служить магазин обрабатывающего центра MA2612Ф2, разработанного ЭНИМСом (рис. 13).

Рис. 13. Схема инструментального магазина обрабатывающего центра МА2612Ф2

Однако конструктивно такой магазин достаточно сложный, так как для поиска необходимого инструмента приходится вращать не только большой диск, но и один из десяти малых дисков, когда последний попадает в позицию разгрузки-загрузки.

Многорядный барабанный магазин имеет станок MCP100-A60 фирмы Makino (рис. 14). Наиболее сложными и дорогими, но одновременно и наиболее емкими являются магазины цепного типа.

Рис. 14. Обрабатывающий центр MCP100-160 (Makino, Япония)

В настоящее время получили распространение следующие основные системы кодирования инструментов.

  • Расположение инструментов осуществлено в определенной технологической последовательности, например, при использовании револьверных шпиндельных головок, при этом программируется только шаг (угол поворота магазина).
    Недостаток такой схемы заключается в невозможности повторного использования одного и того же инструмента в течение одного цикла.
  • При кодировании инструмента на его державке устанавливаются кодовые кольца. Комбинация колец образует код инструмента, который прочитывается считывающим устройством контактного или бесконтактного типа. Оправка с кодовыми кольцами приведена на рис. 15.
  • Кодирование инструментов с использованием эффекта Холла.

Основные преимущества второй системы кодирования: 1) инструменты могут располагаться в любых гнездах магазина; 2) поиск необходимого инструмента возможен в любой последовательности; 3) отпадает возможность ошибки при загрузке магазина.

Рис. 15. Пример кодирования и считывания кода инструментальной оправки

Недостаток этой системы: 1) установка кодовых колец усложняет конструкцию оправки, увеличивает вылет инструмента, что ухудшает точность обработки; 2) невозможна автоматическая смена инструмента большого диаметра с пропуском двух соседних гнезд; 3) при большом количестве инструментов время поиска может быть значительным, так как поиск идет не по кратчайшему направлению; 4) увеличивается вес инструментов, что ухудшает динамику магазина.

Широкое распространение получил способ кодирования гнезд инструментального магазина.

Поиск нужного гнезда осуществляется различными датчиками (оптическими, сельсинами, кодовыми дисками в сочетании с микропереключателями), кинематически связанными с валом магазина.

Преимущества по сравнению со способом кодирования инструмента:

  • простота и дешевизна инструментальных оправок;
  • возможность автоматической смены инструментов большого диаметра (с пропуском гнезд);
  • малое время поиска инструмента обеспечивается реверсивным приводом вращения магазина (поиск в кратчайшую сторону).

Недостатки этой системы:

  • Необходимость дополнительного перемещения магазина для приема отработавшего инструмента в его гнездо; при применении двухзахватного автооператора время, затрачиваемое на дополнительный доворот магазина, совмещается со временем транспортировки инструмента из магазина в шпиндель обрабатывающего центра;
  • Не исключена возможность аварии при загрузке магазина, если какой-либо инструмент будет вставлен не в свое гнездо.

При поиске инструмента по системе кодового ключа каждый инструмент имеет свой ключ, который вставляется в любое гнездо магазина рядом со своим инструментом, кодируя, таким образом, гнездо.

На рис. 16 представлен принцип устройства системы кодового ключа. Принцип устройства состоит в следующем: После разработки карты наладки І в ней указываются параметры инструмента и его кодовый номер, состоящий из пяти разрядов. Затем выбранный инструмент устанавливают и крепят в оправке II. Следующий этап III - изготовление из заготовок кодового ключа IV с проверкой правильности его изготовления на индикаторе VI. После этого ключ крепят к оправке и устанавливают оправку в стеллаже VІІ для хранения. При загрузке инструмента в инструментальный магазин VIII рядом с ним вставляют его кодовый ключ. Таким образом, система кодового ключа позволяет кодировать инструмент до постановки его в магазин, при этом не повышается стоимость оправки и не увеличивается вылет инструмента. После установки оправки и кодового ключа в магазине происходит кодирование гнезда магазина.

Рис. 16. Схема кодирования инструмента типа кодового ключа Scully-Gones (США)

Схема расположения устройства автоматической смены инструмента на колонне вертикального станка 243ВМФ4 (Вертикально фрезерный обрабатывающий центр с Чпу, рис. 5) имеет ряд преимуществ по сравнению с другими схемами:

  • магазин инструментов расположен на боковой стороне колонны на удобной высоте, что очень облегчает его обслуживание, т. е. периодический осмотр инструментов и замену изношенных, пополнение магазина новыми инструментами взамен использованных в тех случаях, когда емкость магазина оказывается недостаточной, периодический осмотр и очистку оправок и др.;
  • механизм выполнен в виде автономного узла, что позволяет довести уровень унификации деталей в станках гаммы до 70%; при больших выпусках обрабатывающих центров применение принципа поузловой сборки сокращает сроки их изготовления;
  • магазин расположен далеко от рабочей зоны, т.е. рабочая зона после смены инструмента полностью освобождается; возможность загрязнения и запыления конусов оправок сведена к минимуму;
  • малое время смены инструментов (порядка 5 с), вследствие того что вся подготовка к смене происходит во время предыдущей обработки.

К недостатку такой схемы расположения магазина следует отнести тот факт, что смена инструмента может происходить только в определенном положении шпиндельной головки. Так как скорости быстрых перемещений шпиндельных головок велики (2 м/мин и выше), то потери времени невелики.

Смена инструмента на станке может осуществляться в ручном (с пульта) и автоматическом режимах.

Автоматическая смена инструмента совершается в определенной последовательности (рис. 17):

  • во время работы станка магазин подает очередной инструмент в позицию разгрузки-загрузки;
  • рука поворачивается, захватывает этот инструмент, выносит его из магазина и опрокидывается до положения, когда оси инструмента и шпинделя параллельны; в этом положении «ожидания» движения руки прекращаются до прихода шпиндельной головки и пиноли шпинделя в крайнее верхнее положение, в котором происходит отжим отработавшего инструмента в шпинделе;
  • непосредственно смена инструмента длится 5 с; при этом, поворачиваясь, рука захватывает отработавший инструмент, выносит его из шпинделя, поворачивается на 180° и вставляет очередной инструмент в шпиндель;
  • рука совершает все движения в обратной последовательности и вставляет отработавший инструмент в свое гнездо, номер которого хранится в оперативной памяти системы ПУ.

Рассмотрим устройство механизма автоматической смены инструмента, состоящего из двух частей: а) круглого поворотного магазина с расположенными на его периферии 30 инструментами и системой поиска необходимого инструмента; б) автооператора с приводом, выполняющим функции разгрузки-загрузки инструментов и транспортировки их от магазина к шпинделю станка.

Рис. 17. Схема работы автооператора при смене инструмента на обрабатывающем центре 243ВМФ2

Инструментальный магазин представляет собой диск 6 с тридцатью отверстиями, в которых закреплены втулки 3 и 4 (рис. 18), предохраняющие хвостовики оправок от загрязнения и запыления. На оправке 5 закреплен грибок 1 для крепления инструмента в рабочем шпинделе станка; кольцевой паз 7 служит для захвата рукой автооператора. Каждая - оправка с инструментом крепится в магазине с помощью пружины 2. Такое удобное, с точки зрения обслуживания магазина, крепление инструментов стало возможным потому, что направление загрузки-разгрузки из магазина перпендикулярно направлению силы тяжести, т. е. исключается влияние веса инструмента.

Рис. 18. Крепление инструмента в магазине обрабатывающего центра 243ВМФ2

Устройство поиска необходимого инструмента состоит из кодовых дисков, кинематически связанных с магазином, лепестки которых проходят сквозь прорези бесконтактных конечных выключателей, закрепленных на корпусе. Выходные сигналы этих выключателей кодируют в двоично-десятичной системе номер гнезда магазина. Поиск инструмента осуществляется по кратчайшему пути.

Вращение инструментального магазина и фиксация его в нужном положении осуществляются механизмом, кинематическая схема которого представлена на рис. 19. Вращение магазина осуществляется от отдельного электродвигателя 1 через червячную передачу 2, 3, винт-вал 5, зубчатые колеса 9 и 10, червячную передачу 11 и 14 и колеса 15 и 16. Передаточное отношение от винта-вала 5 к магазину 17 равно 30, т. е. соответствует числу гнезд магазина. Таким образом, если фиксатор 8 оказывается в пазу диска 7, то одно из гнезд находится точно в позиции разгрузки-загрузки. Червячное колесо з монтируется в корпусе на своих опорах и взаимодействует с винтом-валом 5 через трапецеидальную резьбу. На торцах червячного колеса 3 имеется по одному торцовому кулачку, которые взаимодействуют с кулачками дисков 4 и 6, жестко закрепленными на винте-валу 5.

При получении команды на поиск инструмента электродвигатель 1 начнет вращать червячное колесо 3 с внутренней резьбой. При этом в зависимости от направления вращения винт-вал 5 начнет перемещаться вдоль своей оси влево или вправо, удерживаясь от вращения фиксатором 8, входящим в паз диска 7. Как только фиксатор 8 выйдет из паза диска 7 винт-вал 5 начнет вращаться под действием торцовых кулаков червячного колеса 3 на один из дисков 4 либо 6. При вращении магазина бесконтактные выключатели посылают сигналы в счетную схему системы ПУ. При совпадении полученного сигнала с заданным по программе дается команда на реверс электродвигателя 1. В этом положении необходимое гнездо магазина перебегает позицию разгрузки-загрузки. При реверсе винт-вал 5 стремится сдвинуться вдоль оси, однако этому препятствует фиксатор 8, упирающийся в торец диска 7. Поэтому вначале происходит поворот винта-вала 5 в противоположную сторону до западания фиксатора 8 в паз диска 7. При этом винт-вал 5 начнет перемещаться в осевом направлении до тех пор, пока кулак 13 не нажмет микропереключатель 12 и электродвигатель 1 не остановится. Необходимое гнездо магазина будет находиться точно в позиции разгрузки-выгрузки.

Рис. 19. Кинематическая схема привода инструментального магазина

Остановимся более подробно на выборе схемы привода автооператора. Для осуществления автоматической смены инструментов автооператор должен совершить ряд движений в определенной последовательности, достаточно быстро и точно, четко фиксируя транспортируемый инструмент в конечных и промежуточных положениях. Широкое распространение получили раздельные системы привода механизмов, в которых движения осуществляются от автономных двигателей (гидроцилиндра, гидродвигателя, электродвигателя и др.). При этом достигается значительное упрощение кинематики, появляется возможность гибко осуществлять отладку каждого перемещения и довести закон движения каждого элемента до оптимального значения. Однако при этом:

  • необходимо осуществлять контроль величины перемещения каждого кинематического элемента схемы с достаточно высокой точностью, что требует применения конечных выключателей, управляемых соответствующими кулачками;
  • необходимо своевременно и четко передавать команду на осуществление последующего движения по окончании предыдущего, что ведет к появлению специальных элементов (электропереключателей);
  • для исключения ударов во время работы устройства автоматической смены инструмента и обеспечения точности заданных положений всех элементов необходимо задать для каждого движения оптимальные значения ускорений и замедлений в начале и конце перемещения; это достигается управляемыми по пути каждого элемента дросселями или специальными тормозными устройствами.

Все перечисленное привело к значительному усложнению схемы устройства автоматической смены инструмента и к насыщению ее не только кинематическими, но и управляющими и контролирующими элементами, а также к усложнению электросхемы управления всеми элементами механизма. Для исключения аварийных ситуаций из-за возможных сбоев в управлении движениями при автоматической смене инструмента необходимо было предусмотреть разветвленную систему блокировок, что еще более усложнило электросхему управления механизмом.

Опыт освоения станка с подобным механизмом показал, что изготовление, отладка и регулировка последнего оказались весьма трудоемкими из-за большого числа управляющих, контролирующих и блокирующих элементов. Вместе с тем надежность такого механизма была невысокой и не обеспечивала стабильной его работы. Это обстоятельство привело к созданию механизма со связанной системой привода автооператора. На обрабатывающем центре 243ВМФ2 привод конечного звена автооператора двухзахватной руки, имеющей три движения (поворот, осевое перемещение и опрокидывание), осуществляется от трех кулаков 3, 4 и 5, вращаемых через червячный редуктор 7 от отдельного электродвигателя 6 (рис. 20). На каждом кулаке дискового типа выполнены замкнутые кривые, которые задают руке точные величины перемещений, обеспечивают четкую последовательность и траекторию движений по оптимальным динамическим законам. При этом отпадает необходимость в элементах, контролирующих величины, направления и скорости последовательных перемещений, как это было в устройствах автоматической смены инструмента с автономными приводами. Вместе с тем значительно упрощается электросхема управления и блокировки и увеличивается надежность работы механизма.

Рис. 20. Кинематическая схема автооператора обрабатывающего центра 243ВМФ2

Циклограмма движений руки автооператора приведена на рис. 21.

Конечные и промежуточные положения звеньев автооператора и траектория его движения определяются исходя из взаимного расположения оси шпинделя, перегрузочной позиции магазина и длины хвостовика переходной втулки. Однако необходимо выбрать оптимальный закон движений руки автооператора, при котором бы обеспечивалось быстродействие и отсутствие ударов, а также обеспечивались минимальные нагрузки на элементы механизма, в частности на элементы толкателей 2, 8 и 1 (см. рис. 20).

Рис. 21. Циклограмма перемещений руки автооператора на обрабатывающем центре 243ВМФ2

Для перемещения толкателей следует рекомендовать использование кривых с синусоидальным или квадратичным законом изменения ускорения.

Опыт наладки и эксплуатации описываемого механизма обнаружил большую надежность работы всех его систем при высоком быстродействии и может быть рекомендован для применения на обрабатывающих центрах.

На колонне обрабатывающего центра 6906ВМФ2 (разработан СКБПС, г. Одесса) монтируется механизм, аналогичный описанному (рис. 22). Из-за горизонтального расположения шпинделя пришлось несколько изменить конструкцию автооператора (поворот головки совершается вокруг вертикальной оси ) и увеличить диаметр диска магазина, так как на станке применяется инструмент большего размера, а число инструментов осталось прежним (30 шт.), как и в предыдущем случае; смена инструмента осуществляется в верхнем положении шпиндельной головки (гильзы на станке нет).

Рис. 22. Обрабатывающий центр 6906ВМФ2

Цикл смены инструмента показан на рис. 23 и включает позиции:

  • поворот руки вокруг горизонтальной оси и захват очередного инструмента, который подается вращающимся дисковым магазином в перегрузочную позицию (1);
  • захват инструмента и извлечение его из гнезда осевым перемещением руки (2);
  • поворот руки вокруг горизонтальной оси в противоположном направлении (3);
  • осевое перемещение руки по направлению к колонне (4);
  • поворот всей головки вокруг вертикальной оси, т. е. выход в позицию ожидания (5).

Все предыдущие подготовительные операции происходили во время работы обрабатывающего центра. После выхода шпиндельной головки в верхнее положение рука, поворачиваясь, захватывает отработавший инструмент позиции 6 и 7, осевым перемещением извлекает его из шпинделя и, поворачиваясь на 180°, меняет инструменты местами (позиция 8). Очередной инструмент вставляется в шпиндель, а рука уносит отработавший инструмент в свое гнездо магазина, которое в это время уже находится в перегрузочной позиции. Цикл смены инструмента, как и в предыдущем случае, длится не более 5 с.

Рис. 23. Схема работы автооператора при смене инструмента на обрабатывающем центре 6906ВМФ2

Следует упомянуть также останках, в которых магазин инструментов смонтирован на колонне и шпиндельная головка снимает инструмент самостоятельно или используется подвижная каретка, имеющая вертикальное перемещение (см. Горизонтально фрезерный обрабатывающий центр, рис. 4) и рис 24.

Смена инструмента осуществляется в следующей последовательности:

  • вращением магазина подводят гнездо отработавшего инструмента в позицию перегрузки; в этом случае кодируются гнезда магазина;
  • вертикальным перемещением каретки магазина захватывают отработавший инструмент шпинделя;
  • горизонтальным перемещением гильзы шпинделя в направлении от стола освобождают инструмент из шпинделя: отработавший инструмент остается в магазине;
  • инструментальный магазин, поворачиваясь, подводит очередной инструмент в позицию перегрузки;
  • при перемещении гильзы по направлению к столу очередной инструмент захватывается и зажимается в шпинделе;
  • каретка с магазином перемещается вверх в исходное положение.

Смена инструмента происходит примерно в течение 1 мин. Преимуществом такой системы является отсутствие автооператора. Недостатками таких устройств автоматической смены инструмента являются очень большое время смены, увеличение габаритов колонны, а следовательно, и веса станка, увеличение объема программы, так как смена инструмента связана с позиционированием каретки и шпиндельной бабки. Вследствие этих недостатков такие механизмы распространения не получили.

Рис. 24. Обрабатывающий центр PFHW (Heller)

Примером расположения устройства автоматической смены инструмента вне станка может служить обрабатывающий центр, (см. Вертикально фрезерный обрабатывающий центр с Чпу, рис. 12), который скомпонован путем добавления автономного узла инструментального магазина и автономного узла автооператора к серийному станку с программным управлением. Инструментальный магазин дискового типа емкостью от 66 до 138 инструментов установлен на отдельном основании и смонтирован на перемещающейся каретке. Магазин имеет отдельный привод вращения, а за магазином на неподвижной колонне смонтирована перемещающаяся в горизонтальном направлении гильза, которая выдвигает выбранный инструмент из его гнезда перед захватом его рукой автооператора (рис. 25). В магазине применена система кодирования гнезд. Автооператор также смонтирован на отдельном основании и представляет собой двухзахватную руку, которая может поворачиваться вокруг вертикальной и горизонтальной осей с помощью гидропривода.

Несмотря на крупные недостатки (значительное увеличение веса всего агрегата, увеличение занимаемой площади, увеличение объема программы в связи с необходимостью позиционирования магазина и др.), такие механизмы автоматической смены инструмента обладают серьезным достоинством: добавляя их к серийным станкам с программным управлением, удается без каких-либо изменений превращать эти станки в обрабатывающие центры с очень большой емкостью магазина. Комбинированные устройства автоматической смены инструмента представляют собой устройства второй группы в сочетании с револьверной головкой, несущей два шпинделя и более. Шестипозиционная револьверная головка имеет несколько стационарных (несменных) шпинделей, в которых смонтированы постоянные плансуппортные головки, а в остальных позициях инструмент поступает из магазина дискового типа, расположенного за револьверной головкой. Сменные позиции револьверной головки расположены диаметрально противоположно, так что один из сменных инструментов работает, а другой находится в перегрузочной позиции у магазина. Время замены инструмента совмещено с обработкой. Для ввода в работу очередного инструмента требуется поворот револьверной головки, так что затраты несовмещенного времени минимальны (1-3 с). Инструментальные магазины в этой группе механизмов могут также располагаться вне станка, обладая при этом очень большой емкостью.

Применение обрабатывающих центров обусловливает высокие требования к подготовке производства и, в частности, к подготовке инструмента, включающие систематизацию инструментов, предварительную установку инструментов по диаметру и длине, кодирование инструментов, а также своевременную замену изношенных инструментов. Очевидно, что без четко организованной службы подготовки инструмента не могут быть использованы преимущества устройств автоматической смены инструментов.

Рис. 25. Пример смены инструментов на обрабатывающем центре с автономным магазином