animateMainmenucolor
activeMenucolor
Станкостроительный завод Металлообрабатывающие станки и инструмент
г. Набережные Челны
Обратная связь
Главная / ЧПУ станок / Токарный станок / Многошпиндельный токарный автомат с ЧПУ: особенности построения

Многошпиндельный токарный автомат с ЧПУ: особенности построения

Многошпиндельный токарный автомат (MTA) с кулачковым приводом (распределительным валом управления) имеет высокую производительность, однако требуется длительная и трудоемкая переналадка. Одношпиндельные токарно-револьверные автоматы универсальны, но у них невысокая производительность. Сочетание высокой производительности и универсальности может быть в MTA с ЧПУ, отличающихся к тому же низкой металлоемкостью.

Для сравнения приведем принципы построения многошпиндельного токарного автомата с кулачковым управлением (рис. 1, α) и ЧПУ (рис. 1, б). В MTA с кулачковым управлением шпиндели 7 вращаются от одного электродвигателя 4 через центральную шестерню 1, установленную на оси поворота шпиндельного барабана 8. От этого же двигателя передается вращение на распределительный вал 2 с кулачками 3, обеспечивающими через рычажные и другие передаточные механизмы перемещения поперечного 6 и продольного 5 суппортов, а также управление вспомогательными движениями (поворот и фиксация, зажим-разжим, подача-набор и т. д.).

В многошпиндельном токарном автомате с ЧПУ (рис. 1, б) общим с ранее описанным остался только шпиндельный барабан с механизмом его поворота и фиксации. Обработка деталей осуществляется инструментами, размещенными в крестовых суппортах 9. Шпиндели 7 вращаются от отдельных двигателей 10. Аппаратурная реализация системы ЧПУ в многошпиндельном токарном автомате MДZ 250 с четырьмя шпинделями приведена на рис. 1, в. Научно технический прогресс и уровень развития современного производства предъявляют повышенные требования к многошпиндельным токарным автоматам по производительности, точности, металлоемкости, энергоемкости и быстропереналаживаемости при расширении технологических возможностей в условиях не только массового и крупносерийного производства, но и серийного и даже мелкосерийного.

Рис. 1. Принципиальные схемы многошпиндельных токарных автоматов: α - с кулачковым управлением, б, в - с ЧПУ

Это требует иного методологического подхода к их проектированию, к поиску новых технологических принципов, разработке принципиально новых схем и конструкций в кратчайшие сроки.

Среди основных направлений развития многошпиндельных токарных автоматов, связанных с повышением их технико-экономических показателей и расширением технологических возможностей, можно выделить следующие:

  • коренное изменение компоновки и существенное сокращение кинематических цепей за счет применения агрегатно-модульного принципа построения и систем ЧПУ;
  • поиск и выбор принципиально новых технологических принципов и схем формообразующих движений, например, сочетающих процессы развития с процессами пластического деформирования (комбинированная обработка), концентрация операций за счет перевода на параллельную и параллельно-последовательную обработку с использованием много инструментальных и многорядных револьверных головок с вращающимися и невращающимися инструментами, одновременная многопоточная обработка нескольких на одном шпинделе (двух-трех и более) одинаковых коротких деталей типа колец подшипников при многократной подаче прутка или подаче на все детали сразу и двойном (или с двух сторон) зажиме;
  • создание многоцелевых станков, осуществляющих токарные, фрезерные, сверлильные и другие операции, не свойственные токарным автоматам, обработка деталей с двух сторон после отрезки из прутка или с перекантованием штучной заготовки, оснащение существующих многошпиндельных токарных автоматов дополнительными устройствами, и оснасткой специального технологического назначения, например, поворотными патронами и т. д.

Для поиска новых технологических принципов и компоновок MTA целесообразно применять системные и ассоциативные методы поиска новых технических решений. При синтезе технологических схем и компоновок токарных автоматов эффективным, дающим большое количество вариантов, является метод морфологического анализа и синтеза, сводимый к перебору сочетаний альтернатив основных признаков, образующих морфологическую матрицу.

При поиске технологических схем многошпиндельных токарных автоматов выбирают 5 основных признаков:

  • 1 - схема обработки или принцип построения технологического процесса с точки зрения концентрации операций на z позициях - шпинделях (z = pq, где q - количество последовательных позиций; р - количество параллельных позиций);
  • 2 - расположение рабочей зоны;
  • 3 - изменение положения шпинделей;
  • 4 - число рядов шпинделей в шпиндельной бабке;
  • 5 - относительное расположение шпинделей.

Для каждого признака выбирают варианты реализации - альтернативы и строят морфологическую матрицу (рис. 2).

Рис. 2. Морфологическая матрица технологических схем многошпиндельных токарных автоматов

Для примера возьмем несколько вариантов сочетаний альтернатив:

  • 1.1 - 2.1 - 3.1 - 4.1 - 5.2 - последовательная обработка с одной стороны рабочей зоны при периодическом повороте шпинделей, расположенных на одной окружности шпиндельного барабана (традиционная схема);
  • 1.2 - 2.1 - 3.3 - 4.1 - 5.1 - параллельная обработка с одной стороны рабочей зоны при неподвижном параллельном расположении одного ряда шпинделей (традиционная схема фасонно-отрезной обработки);
  • 1.1 - 2.1 - 3.1 - 4.2 - 5.2 - последовательная обработка с одной стороны рабочей зоны при периодическом повороте шпинделей, расположенных на двух окружностях шпиндельного барабана (новая схема);
  • 1.3 - 2.2 - 3.4 - 4.1 - 5.1 - параллельно последовательная обработка с двух сторон рабочей зоны при параллельном расположении шпинделей одного ряда неподвижных, а другого ряда подвижных (новая схема);
  • 1.2 - 2.3 - 3.1 - 4.1 - 5.5 - параллельная обработка с нескольких сторон рабочей зоны при звездообразном расположении ряда подвижных шпинделей (новая схема).

При синтезе компоновок по различным технологическим схемам должны быть введены дополнительные признаки, характеризующие объект обработки - заготовку и конструктивные узлы (блоки) структуры многошпиндельного токарного автомата. Морфологическая матрица компоновок MTA с десятью основными признаками, представляющая развитие на рис. 2, приведена в виде таблицы на рис. 3.

Рис. 3. Морфологическая матрица компоновок многошпиндельных токарных автоматов

Если из матрицы (рис. 3) взять сочетание (1.1 - 2.2 - 3.2) + (4.1 - 5.1 - 6.4 - 7.1) + (8.1 - 9.5 - 10.5), то на базе традиционной компоновки получится компоновка прутково-патронного многошпиндельного токарного автомата последовательного действия (рис. 4, α), реализующая схему 3 (рис. 2). В этом МТА на первой окружности расположения шпинделей (поз. I-V) обработка осуществляется из прутка инструментами, установленными в продольном суппорте 3 с периодическим поворотом шпиндельного барабана 4 на одну позицию. В позиции І деталь отрезается, например, качающейся дисковой фрезой 2, и с помощью перекантователя с поворотом на 180° переносится в освободившуюся от готовой детали позицию V. На второй наружной окружности шпинделей (поз. V-VIII) заготовка обрабатывается с другой стороны инструментами, установленными в поперечных суппортах 1, а при необходимости в продольном суппорте 3. Таким образом на MTA подобной компоновки можно выполнить обработку детали с двух сторон, заменив 2...3 многошпиндельный токарный автомат существующей компоновки, объединенных в автоматическую линию. Агрегатно-модульный принцип компоновок MTA может быть успешно реализован при отходе от традиционного взгляда на MTA, как на многопозиционный станок с поворотным шпиндельным барабаном, характеризуемый большими массами и моментами инерции. Например, момент инерции шпиндельного барабана с прутками максимальной длины в автомате 1Б216-6K (максимальный диаметр прутка d max - 16 мм) составляет 100 кг*м(2), а в автомате 1Б290-6К (d max = 100 мм) более 700 кг*м(2), что при быстром повороте вызывает большие динамические нагрузки.

Взяв из таблицы (рис. 3) другое сочетание альтернатив, можно синтезировать компоновку многошпиндельного токарного автомата параллельно-последовательного действия, реализующую схему 4 (рис. 2), с теми же технологическими возможностями, как в MTA на рис.4, α. Такой компоновке соответствует сочетание (рис. 3): (1.1 - 2.2 - 3.2) + (4.1 - 5.2 - 6.1 - 7.5) + (8.5 - 9.3 - 10.3) (рис. 4, б). Синтезированная компоновка MTA является развитием компоновки фасонно-отрезных многошпиндельных токарных автоматов, для чего к имеющемуся неподвижному шпиндельному блоку 2, установленному на станине 1 и снабженному рас положенными в линию шпинделями 3 и отрезным поперечным суппортом 4, добавлены одна или две многоярусные револьверные головки 5, установленные на крестовых суппортах 6, и подвижная шпиндельная бабка 8 со шпинделями 7.

Рис. 4. Схемы многопозиционных процессов и соответствующих им новых компоновок многошпиндельных токарных автоматов: α - прутково патронного последовательного действия; б - прутково-патронного параллельно-последовательного действия; в - пруткового параллельного действия

Возможна компоновка многошпиндельного токарного автомата параллельного действия, реализующая схему 5 (рис. 2) с расположением одно и многошпиндельных бабок 1 на крестовых суппортах по разные стороны многопозиционной револьверной головки 2 (рис. 4, в), что соответствует следующему сочетанию альтернатив из морфологической матрицы (рис. 3): (1.1 - 2.1 - 3.4) + (4.1 - 5.3 - 6.3 - 7.2) + (8.1 - 9.1 - 10.1).

При системно-морфологическом подходе поиск новых решений осуществляется на многомерном поле, где даже при существующих традиционных компоновках многошпиндельных токарных автоматов при эволюционном переходе от механического (кулачкового) управления к ЧПУ возможны комбинированные схемы управления, не требующие коренных изменений конструкций. Так например, возможно изменение схемы обработки за счет устранения продольного суппорта и введение вместо него крестовых суппортов, а для доработки детали из прутка со стороны отрезки -- за счет введения дополнительного шпинделя и дополнительных доработочных суппортов. Такой вариант многошпиндельного токарного автомата на базе существующих может быть получен по сочетанию (1.4 - 2.2 - 3.2) + (4.1 - 5.2 - 6.7 - 7.4) - (7.1 +7.3) + (8.5 - 9.3 - 10.1) с конкретной реализацией альтернатив применительно к базовой модели MTA, например, к четырехшпиндельному.

Одним из резервов повышения производительности многошпиндельных токарных автоматов является применение параллельной и параллельно последовательной схем обработки, обладающих к тому же большей надежностью, что особенно важно в условиях гибкого автоматизированного производства.

Перспектива многошпиндельного токарного автомата с ЧПУ

При обработке сложных деталей из прутка или штучных заготовок, требующих выполнения сверлильно-фрезерных и других операций с позиционированием шпинделя за счет высокой концентрации операций и оптимизации режимов резания при независимом регулировании их в различных шпиндельных бабках, имеет смысл создавать многоцелевые многошпиндельные токарные автоматы с ЧПУ.

При создании MTA с ЧПУ последовательного или - параллельного действия с целью повышения точности обработки, упрощения системы ЧПУ за счет сокращения управляемых координат необходимо решать вопрос компенсации износа режущего инструмента. Один путь компенсации режущего инструмента - введение корректировки управляющих программ, что неприемлемо при параллельной работе нескольких одинаковых инструментов от одной программы (одного привода подач или синхронно работающих приводов подач). Другой путь - создание системы автоматической подналадки инструментов, обеспечивающих Дополнительные кинематические цепи коррекции положения режущего инструмента по сигналу от датчика, регистрирующего изменение размера обработки или износ инструмента.

При создании многошпиндельных токарных автоматов с ЧПУ следует решать проблемы, связанные с дроблением и транспортировкой стружки, диагностикой инструментов и узлов станка, автоматическим манипулированием заготовками, режущими инструментами, рабочими органами станка и т. д., что требует применения современных методов поиска новых решений на уровне технических идей (принципов, способов), структур и схем станков и их механизмов.

Модульный принцип компоновки многошпиндельных токарных автоматов с ЧПУ, станочных модулей и станочных систем предусматривает два возможных подхода, исходя из требуемой производительности обработки и технологических возможностей:

  • на базе одношпиндельных модулей с приемом одинарного наращивания, зеркальности или расстановки требуемого количества позиций;
  • на базе двухшпиндельных модулей с приемом парного наращивания, зеркальности или расстановки до требуемого количества позиций.

Первый подход удобен для параллельной обработки, второй - для параллельно последовательной. Прием симметричности парного наращивания отличается более высокой надежностью, имеет много аналогов в природе, поэтому перспективность его очевидна.

Модульный принцип компоновки многошпиндельного токарного автомата с ЧПУ, применяемый в условиях гибкого автоматизированного производства, позволяет путем повышения надежности в течение длительного периода и быстрой переналадки использовать устройства автоматического манипулирования блоками. станка при выходе из строя и ремонте, при перекомпоновке станка для перехода на другую продукцию, при монтаже, транспортировке и т. п.

Успешной реализации агрегатно модульного принципа компоновки многошпиндельного токарного автомата с ЧПУ может способствовать выполнение ряда дополнительных требований и условий, а именно:

  • номенклатура комплектующих агрегатов и модульных блоков должна быть минимальной;
  • создавать параллельные и параллельно-последовательные схемы обработки, уходя от использования поворотного шпиндельного барабана;
  • шпиндельные блоки должны быть симметричными, с несколькими привалочными плоскостями и устанавливаться с любой стороны станины или другой базовой детали без изменения привязки, по возможности уходить от различных исполнений (левых, правых, передних, задних, верхних, нижних, вертикальных, горизонтальных); для упрощения конструкций, повышения точности и жесткости шпиндельные узлы следует помещать в цельные корпусы шпиндельных бабок, отдавая предпочтение парному варианту; допускать, как оправданное, зеркальное исполнение корпусов шпиндельных бабок;
  • координатные блоки (одно и двухкоординатные суппорты, револьверные головки) должны иметь не менее двух плоскостей симметрии, каждая координата суппорта должна предусматривать возможность установки привода координаты (двигателя) с двух сторон, расположения в различных плоскостях с учетом лучших динамических качеств, удобства схода стружки и обслуживания;
  • рабочая зона должна обеспечивать свободный доступ в различных сторон (сверху, сбоку и даже снизу) к каждому шпинделю при наладке, манипулировании заготовками, смене инструментальной и зажимной оснастки;
  • исполнение станины должно предусматривать встраивание транспортера стружки с различных сторон;
  • должна предусматриваться возможность совершенствования станка за счет автоматической смены инструментов, патронов (или их зажимных элементов), прутков, что переводит станок на следующий более высокий уровень гибкости;
  • система ЧПУ должна быть построена по модульному принципу - наращиванием модулей (управляющих координат);
  • для уменьшения количества управляемых координат операции сверления, фрезерования и резьбонарезания многолезвийным инструментом, не требующим автоподналадки и компенсации износа, объединять в отдельные револьверные головки, т. е. иметь отдельно головку для вращающегося центрового инструмента и отдельно для различных однолезвийных проходных резцов; допускать сочетание в одной револьверной головке отрезных канавочных резцов и вращающегося инструмента, компенсация износа которых не требуется.

В Институте станков и технологии технического университета в Западном Берлине совместно с Западногерманским исследовательским обществом выполнены исследовательские работы по созданию многоцелевых многошпиндельных токарных автоматов с ЧПУ как гибких производственных систем компактной структуры.

Из большого числа вариантов была выбрана концепция системы «Пилот», которая открывает новые пути как с точки зрения конструкций станин, так и с позиций пространственного размещения линейных и поворотных координатных осей для перемещения рабочих органов станка. Подобное решение впервые стало возможным благодаря использованию устройства ЧПУ и раздельных приводов шпинделя и каждой координатной оси, по которой осуществляются движения на рабочих подачах. Схематичное изображение многоцелевого многошпиндельного токарного автомата приведено на рис. 5, α.

Рис. 5. Многоцелевой многошпиндельный токарный автомат: α - «MDZ» (ФРГ); б - 1А290П-4КФ30

Базовыми узлами многошпиндельного токарного автомата являются шпиндельные головки, установленные под углом 60° к главной оси. Этот запатентованный принцип расположения шпинделей обеспечивает независимое размещение главных приводов, а также использование раздельных, автоматически управляемых средств зажима. В системе «Пилот» принято подвесное крепление шпиндельных головок, что облегчает отвод стружки и минимизирует занимаемую производственную площадь. Основная станина несет четыре стойки, систему подачи СОЖ и транспортер для отвода стружки. На стойке размещена шпиндельная головка, приводы и аппараты подвода питающего напряжения. Инструментальные суппорты установлены с боковых сторон стоек и направлены параллельно шпинделям. Компактная конструкция шпиндельной головки определяет организацию рабочего пространства, обеспечивая установку деталей большого диаметра и размещения устройств, при этом исключаются столкновения и создаются благоприятные условия для полной обработки широкого спектра деталей. Все шпиндели оснащены гидравлическими зажимными патронами, которые могут настраиваться для внешнего или внутреннего крепления деталей с помощью вентилей, встроенных в шпиндельные головки. Это дает возможность автономно управлять зажимом на каждом шпинделе в отдельности и в любом его положении.

В специальном конструкторском бюро многошпиндельных автоматов Киевского станкостроительного производственного объединения (КСПО) создан многоцелевой МТА с ЧПУ 1А290П-4КФ30 (рис. 5, б), оснащенный во II и I позициях двумя крестовыми суппортами 4 и 7 с револьверными головками 5 и 6, имеющими невращающийся инструмент и предназначенными в основном для наружных токарных работ, а также одним верхним крестовым суппортом 3 с оригинальной револьверной головкой 2 (с расположением инструментальных шпинделей по аналогии с многошпиндельным токарным автоматом на рис. 5, α) для сверлильно-фрезерных работ при позиционировании шпинделя в III позиции. Компоновка многошпиндельного токарного автомата осталась традиционной, т. е. с поворотным шпиндельным барабаном, I и IV загрузочно-разгрузочными позициями.

Станок предназначен для изготовления францев, стаканов, ступиц, шкивов и других деталей тел вращения из стали, чугуна и цветных сплавов с наружными и внутренними поверхностями сложных профилей. Штучные заготовки закрепляются в зажимных патронах рабочих шпинделей 1, вращающихся в прецизионных подшипниковых опорах шпиндельного барабана, который периодически поворачивается, перемещая обрабатываемую деталь в последующую позицию обработки. В трех позициях производится обработка, в четвертой - выгрузка готовой детали и загрузка новой заготовки. Возможно одновременное изготовление двух различных деталей. В этом случае в первых двух позициях производится обработка, в двух последних - загрузка и выгрузка.

Рабочие шпиндели имеют независимые приводы вращения, что позволяет производить выбор оптимальных режимов резания. Независимая обработка детали в каждой из трех позиций обеспечивается наличием в этих позициях автономных двухкоординатных суппортов, управляемых отдельными устройствами ЧПУ. На каждом суппорте устанавливается револьверная головка с набором необходимых режущих инструментов. Многошпиндельный токарный автомат может быть оснащен автооператором или роботом для автоматической выгрузки, причем при эксплуатации с роботом обрабатывающий центр превращается в роботизированный токарно сверлильно фрезерный комплекс. Благодаря наличию специального двухкоординатного суппорта с оригинальной револьверной головкой, предназначенной для выполнения фрезерных и сверлильных работ, данный многоцелевой MTA не имеет аналогов в мире. Одним из недостатков данного многошпиндельного токарного автомата является снижение его производительности при обработке заготовок, не требующих сверлильно-фрезерной обработки в III позиции, где шпиндель не имеет привода главного движения, а имеет лишь привод позиционирования.