Автоматизация вспомогательных операций смены заготовок и деталей на станках с ЧПУ создает предпосылки для внедрения трудосберегающей («безлюдной») технологии в механообрабатывающем производстве, а также повышает его эффективность за счет сокращения простоев станков между отдельными рабочими циклами. Из-за того, что компоновки металлообрабатывающих станков и способы их загрузки могут иметь значительные отличия, а также различаются типы изготавливаемых деталей конструкция устройств для автоматической смены заготовок может быть различной. В автоматизированных станочных системах данные устройства, как правило, включают в состав гибкого производственного модуля для соединения его с транспортными и накопительными устройствами. При этом выбор конструкции загрузочного устройства к станку зависит от принятой схемы транспортно-накопительной системы. В то же время загрузочные устройства целесообразно механически отделить от станка для его виброизоляции. Конструктивная автономность устройств автоматической смены заготовок создает возможность их проектирования в виде достаточно универсальных манипуляционных механизмов, имеющих собственные приводы и средства электро-, гидро- или пневмоавтоматики.
Автоматические загрузочные устройства для заготовок типа тел вращения, обрабатываемых на многоинструментальных токарных, круглошлифовальных или внутреннешлифовальных станках с ЧПУ, могут быть выполнены в виде манипуляторов с поворотным или рычажным захватным механизмом (рис. 1).
Рис. 1. Схемы манипуляторов для заготовок типа тел вращения, обрабатываемых на станках с ЧПУ
Поворотные загрузочные устройства к станкам с ЧПУ предназначены для манипулирования главным образом длинными заготовками (типа валов), обрабатываемыми на станке в центрах. В этом случае цикл обслуживания станка, который сводится к снятию обработанной заготовки и установке следующей, можно осуществить при повороте двухзахватного механизма на 180°. Если заготовку обрабатывают в патроне станка, то поворотное загрузочное устройство должно иметь дополнительное осевое движение. В зависимости от числа обслуживаемых позиций, одной из которых является рабочая позиция - шпиндель станка, а остальные - вспомогательные позиции транспортно-накопительной или контрольно-измерительной системы, поворотные загрузочные устройства могут быть двух- или многопозиционными.
Схемы трехпозиционного поворотного загрузочного устройства для токарных станков с ЧПУ приведены на рис. 1 (схемы 1а, 1б и 1в). Захват очередной заготовки осуществляется непосредственно с ленты транспортера-накопителя или из магазина, где заготовки предварительно установлены в ориентированном виде на специальных призмах. Другие позиции манипулятора совпадают с осью шпинделя станка или с позицией контроля обработанной на станке детали.
Конструктивной особенностью приведенных на рис. 1 схем 1а и 1б поворотного загрузочного устройства является обеспечение гипоциклоидной траектории движения заготовки за счет одновременного вращения захватного устройства вокруг своей оси и поворота головы со схватом относительно параллельной оси, смещенной на величину эксцентриситета e. В этом случае при достижении конечных положений (позиций 1, 2 и 3) скорость перемещения заготовки автоматически снижается, что обеспечивает повышение точности ее позиционирования. Кроме того, при гипоциклоидной траектории движения центра схвата исключается возможность столкновения заготовки с резцедержателем станка, зажимными и транспортными устройствами, а также уменьшается время общего цикла обслуживания станка.
Для параллельного обслуживания двух рабочих позиций (например, в двухшпиндельном станке) загрузочное устройство выполняют двуруким с неизменяющимся относительным положением рук на поворотном устройстве, определяемым углом φ между одноименными позициями 1 и 1', 2 и 2' и т.д. (схема 1в).
Конструкции захватных устройств и формы их зажимных губок зависят от типоразмеров обрабатываемых на станке заготовок. Обычно губки имеют призматическую форму и достаточно большой развод при разжиме, создающий возможность при одной настройке манипулировать заготовками, у которых диаметр достигает 40-50 мм. Возможно применение сменных схватов. Поворотные загрузочные устройства можно монтировать на консоли, жестко закрепленной на каретке, которая перемещается над станком по направляющим траверсы (схема 1а). Такая конструкция загрузочного устройства отличается компактностью и предназначена для обслуживания нескольких позиций, расположенных вдоль оси траверсы в рабочей зоне манипулятора. В других конструкциях загрузочных устройств их поворотная часть, несущая схваты, установлена неподвижно, например, на корпусе магазина-накопителя заготовок, образуя единый магазинный загрузочный механизм (схема 1б). Данный механизм для загрузки заготовок может передвигаться вдоль оси станка, освобождая рабочее пространство для обслуживания и наладки.
Рычажные загрузочные устройства предназначены для манипулирования тяжелыми заготовками типа валов (массой до 500 кг и длиной до 3 м), а также для загрузки средних по размерам заготовок фланцевого типа.
Рычажные устройства выдвижного типа выполнены в виде штока с захватом, совершающим возвратно-поступательное движение. Поворотные рычажные устройства представляют собой механическую руку с двумя или тремя степенями подвижности и захватным устройством. Цикл работы манипуляторов задается с помощью средств путевой электро-, гидро- или пневмоавтоматики.
Промышленные роботы манипуляторы для загрузки заготовок фланцевого типа, обрабатываемых в патроне станка, могут быть простыми с поворотно-качательным движением руки. Заготовка в захватном устройстве базируется по торцу. Осевое перемещение для установки ее в патрон станка осуществляется специальным выталкивателем, встроенным в схват. Загрузочный манипулятор для заготовок типа валов имеет более сложную, например, эллиптическую, форму движения схвата за счет поворотного и осевого перемещения механической руки. Осевое перемещение руки обеспечивает, например, специальный кривошипный механизм.
Такая сложная траектория движения схвата является рациональной с точки зрения закона изменения скорости и направления подвода и отвода в позицию снятия очередной заготовки с транспортера и позицию установки ее в шпиндель станка. Показанная на схеме рис. 1 эллиптическая траектория движения схвата соответствует циклу загрузки станка; при разгрузке движение производится в противоположном направлении. Захватное устройство можно легко переустанавливать вдоль горизонтальной и вертикальной осей, а затем закрепить винтами. За счет дополнительных перемещений рычагов руки относительно друг друга загрузочное устройство переналаживают в зависимости от длины и диаметра заготовок. Зажимные губки схвата также можно легко заменить.
Для рычажных устройств характерно двурукое исполнение: два манипулятора, которые установлены на общей каретке, перемещаемой по направляющим траверсы, совершают одновременные возвратно-поступательные движения, всегда находясь в противоположных позициях (схема 2б). При этом один манипулятор оперирует заготовками, а другой - деталями. Для одновременного манипулирования заготовкой и деталью манипулятор может быть двухзахватным с дополнительным поворотным движением головки относительно оси руки на угол 180° (схема 2а).
Загрузочные устройства для заготовок типа колец и дисков, которые базируются на транспортере или в магазине-накопителе по торцу, требуют исполнительных движений кантования перед установкой в патрон станка, а также после обработки для установки детали в приспособление-спутник транспортной системы. Дополнительная позиция, подготавливающая заготовку для загрузки в станок или для установки в приспособление-спутник, обслуживается специальным манипулятором-кантователем (схема 1г). Цикл работы манипулятора-кантователя включает в себя следующие движения: захват заготовки в позиции 0, подъем и снятие ее с приспособления-спутника транспортно-накопительной системы, поворот в позицию 1 с одновременным кантованием на 90°, разжим после установки в загрузочное устройство. После обработки загрузочное устройство передает деталь в позицию 1 для захвата манипулятором-кантователем, который вновь переносит ее с одновременным поворотом на 90° в начальную позицию 0 и устанавливает в приспособление-спутник. Использование кантователя необходимо также при обработке заготовок с двух сторон при переносе их с одной рабочей позиции в другую (схема 2б). Захватное устройство кантователя выполняют сменным для возможности настройки на определенный типоразмер деталей.
Автоматическая смена заготовок призматического типа, обрабатываемых на многооперационных станках с ЧПУ, может быть осуществлена двумя принципиально различными способами с использованием многопозиционных рабочих столов станка, имеющих возвратно-поступательное или поворотное делительное движения, или автономных загрузочных устройств, установленных рядом со станком.
При первом способе загрузки на столе станка устанавливают несколько приспособлений-спутников таким образом, чтобы во время обработки заготовки на рабочей позиции на других вспомогательных позициях были возможны снятие обработанной детали или установка очередных заготовок. Благодаря возвратно-поступательному или поворотному делительному движению стола станка либо установочному перемещению стойки со шпинделем производится смена его рабочей позиции. Однако такой способ смены заготовок требует значительной длины установочных перемещений или увеличения размеров стола для установки многопозиционного поворотного устройства.
В большинстве многооперационных станков используют различные схемы автоматической смены столов-спутников с автономными одно-, двух- или многоместными загрузочными устройствами (рис. 2). Применение сменных столов-спутников, на которых заготовки предварительно закрепляются, а затем переносятся в рабочую позицию либо переустанавливаются при многопозиционной обработке, контролируются и передаются на межстаночные транспортные средства, дает возможность автоматически сменять заготовки любой сложной формы и обеспечивать их постоянное базирование в процессе обработки.
Рис. 2. Схемы манипуляторов для автоматической смены заготовок на обрабатывающих центрах
Одноместные загрузочные устройства располагают вдоль продольной оси станка по обе стороны его стола (схема 1а). Цикл смены заготовки включает в себя прямолинейное перемещение стола станка к свободному загрузочному устройству для переустановки на стол-спутник с обработанной деталью, а затем к другому загрузочному устройству, на котором находится стол-спутник с очередной заготовкой. Для сокращения времени смены заготовки можно использовать дополнительные подвижные каретки, которые при смене стола-спутника одновременно подводятся с двух сторон к зафиксированному в центральной позиции столу станка. Однако в этом случае конструкция загрузочного устройства усложняется.
При Т-образной схеме перемещений столов-спутников (схема 1б) два одноместных загрузочных устройства установлены поперечно по обе стороны стола станка в его крайнем положении, что позволяет произвести смену заготовки при одном продольном перемещении стола в позицию загрузки, а для поперечных перемещений столов-спутников использовать общий привод.
Г-образная схема перемещений столов-спутников (схема 1в) предполагает размещение двух одноместных загрузочных устройств под прямым углом друг к другу в одном из крайних положений стола. При такой схеме зона обслуживания загрузочных устройств становится наиболее удобной для применения грузоподъемных механизмов или автоматических манипуляторов. Однако стол станка в этом случае должен иметь поворотное устройство для совмещения транспортных направляющих стола и каждого из загрузочных устройств.
Широкое применение находит П-образная схема перемещений столов-спутников (схема 1г), расположенных на двух одноместных загрузочных устройствах, которые установлены перпендикулярно к оси стола станка, симметрично относительно его центра. Цикл смены заготовки включает в себя поочередно установочные движения стола к каждому загрузочному устройству.
Двухместные загрузочные устройства, в отличие от одноместных, имеют две платформы с направляющими для установки на них столов-спутников. При этом платформы имеют свой общий привод, обеспечивающий либо маятниковый цикл движений вдоль продольной оси станка (схема 2а), либо поворотное движение на угол 180° относительно вертикальной оси (схема 2б).
Конструктивная схема двухместного загрузочного устройства для обрабатывающих центров с горизонтальным шпинделем показана на рис. 3. Особенностью данной конструкции является использование перемещений стойки станка вдоль оси шпинделя для перестановки столов-спутников с загрузочной платформы на стол станка и обратно. Из-за отсутствия специальных приводов для перемещения столов-спутников конструкция загрузочного устройства при такой схеме упрощается. На неподвижном основании 1 имеются горизонтальные направляющие 2, по которым могут перемещаться салазки 3 с платформами 11 и 12, а на каждой из платформ - поперечные направляющие для столов-спутников 10 и 13. Захватное устройство 5, выполненное в виде оправки с Г-образным пальцем на его конце, устанавливается в одном из гнезд инструментального магазина 8. При команде на смену заготовки стол 4 станка перемещается в позицию разгрузки, в которой его транспортные направляющие совмещаются с поперечными направляющими свободной платформы 11. Захватное устройство 5 механизмом 7 автоматической смены инструмента устанавливается в шпиндель 6. Шпиндель опускается вниз до уровня стола-спутника 10 и поворачивается в одну из фиксированных угловых позиций, в которой Г-образный палец входит в паз специального замка 15 на столе-спутнике, захватывая его. После этого стол-спутник разжимается, и при перемещении стойки 9 вперед устанавливается на платформу 11. Затем салазки 3 гидроцилиндром 14 передвигаются в позицию загрузки, в которой направляющие стола 4 и платформы 12 совмещаются, а палец схвата входит в паз замка на столе-спутнике 13. При перемещении стойки 9 назад стол-спутник 13 с заготовкой переставляется на стол станка. По окончании смены заготовки оправка поворачивается в исходное угловое положение, освобождая спутник, а затем переносится в инструментальный магазин.
Рис. 3. Обрабатывающий центр с ЧПУ с устройством автоматической смены столов-спутников для заготовок и деталей
Для обеспечения длительной работы станка без вмешательства оператора применяют многоместные загрузочные устройства, схемы которых приведены на рис. 2.
Схема За соответствует загрузке станка заготовками, установленными на столах-спутниках, с платформ, которые расположены вдоль продольной оси станка с двух противоположных сторон. Многоместное загрузочное устройство, показанное на схеме 3б, обеспечивает параллельное перемещение столов-спутников перпендикулярно оси станка. Многоместные загрузочные устройства могут быть устроены по типу карусельного транспортирующего механизма с поперечным движением стола-спутника в перегрузочной позиции (схема 3в).
Устройства смены заготовок для станков, встроенных в гибкие производственные комплексы, связаны с общей транспортной системой автоматической линии, участка или цеха. В условиях гибкого автоматизированного производства столы-спутники должны автоматически распознаваться, чтобы по коду очередного спутника, находящегося в позиции загрузки, подготовить нужную управляющую программу и комплект режущих инструментов для станка с ЧПУ. При этом вызов управляющей программы и выбор инструментов осуществляются с помощью компьютера. В связи со сложностью обеспечения стабильной точности при автоматической установке заготовок на разных столах-спутниках применяют дополнительные устройства для контроля действительного положения стола-спутника при установке его на станок с автоматическим вводом коррекции в управляющую программу.
