animateMainmenucolor
activeMenucolor
Станкостроительный завод Металлообрабатывающие станки и инструмент
г. Набережные Челны
Обратная связь
Главная / ЧПУ станокСтанки по металлу /  Устройства автоматической смены инструмента станка с ЧПУ

Устройства автоматической смены инструмента станка с ЧПУ

От типа и конструкции устройства автоматической смены инструмента (УАСИ) зависят точность установки инструмента, а следовательно, точность обработки, время смены инструмента, т. е. производительность, а также вся компоновка многооперационного станка.

К автоматическим сменщикам инструмента предъявляются следующие основные требования: 1) быстродействие; 2) высокая надежность и точность перемещения, безударность; 3) большая емкость магазина при минимальной занимаемой площади; 4) неограничение рабочего объема станка; 5) удобство обслуживания; 6) надежность контроля износа и поломки инструментов, предохранения инструментов и их посадочных мест от загрязнения и запыления; 7) возможность ручной смены инструмента.

Устройства автоматической смены инструмента могут быть разделены на 4 основных типа (рис. 1):

  • 1 - смена инструмента осуществляется при изменении положения рабочего накопителя (револьверные головки);
  • 2 - инструмент автоматически передается из магазина в рабочее положение (например, в шпиндель);
  • 3 - инструмент из магазина передается в рабочую позицию через промежуточный накопитель;
  • 4 - инструмент подается в рабочую позицию частично из рабочего накопителя и частично из магазина через промежуточный накопитель (штриховыми линиями указана автоматическая установка, сплошными - ручная). Типичным рабочим накопителем является револьверная головка, применяемая в станках различных групп.
Типы устройств автоматической смены инструмента

Рис. 1. Типы устройств автоматической смены инструмента: МН - магазинный накопитель: ПН - промежуточный накопитель; PH - рабочий накопитель (многоинструментальная головка); РП - рабочая позиция

Таким образом, автоматическая смена инструмента при обработке деталей на станках может производиться:

  • 1) переключением (поворотом и фиксацией) револьверной головки с неподвижно закрепленным в ней инструментом;
  • 2) заменой всего шпиндельного узла с инструментом;
  • 3) сменой инструмента в шпинделе станка.

Автоматическая смена инструмента в шпинделе позволяет выполнять на многооперационном станке различные технологические операции без перебазирования обрабатываемых деталей с малыми затратами вспомогательного времени.

Когда инструмент передается в рабочую позицию через промежуточную, последняя устанавливается у шпинделя или у магазина, либо в промежуточном носителе. В последнем случае носитель связывает промежуточную и рабочую позиции в единый конструктивный элемент. Промежуточная позиция выполняется в виде двухпозиционной револьверной (рис. 2) или двойной шпиндельной головки.

Автоматическая смена инструмента

Рис. 2. Автоматическая смена инструмента из магазина с помощью двухзахватного автооператора и двухпозиционной револьверной головки: α - захват отработанного инструмента из револьверной головки; б - сведение «рук» автооператора перед его поворотом на 180°; 1- револьверная головка; 2 - автооператор; 3 - магазин инструментов

Конструктивное и компоновочное использование устройств автоматической смены инструмента зависит главным образом от типа станка, расположения шпинделя, количества и типов применяемого инструмента, времени смены инструмента. Классификация способов и устройств АСИ приведена на рис. 3. Револьверные шпиндельные головки (рис. 3, α) вначале получили широкое распространение благодаря относительной простоте устройства. Однако в последние годы они применяются реже из-за малого числа размещаемого в них инструмента и неточностей, вносимых индексацией головок, а также недостаточной их жесткостью. Сменные многошпиндельные головки (рис. 3, б) используют в многооперационных станках при изготовлении крупных серий деталей.

Магазины шпиндельных гильз (рис. 3, в) лишены недостатков, свойственных револьверным шпиндельным головкам, но имеют высокую стоимость вследствие необходимости изготовления большого числа прецизионных шпиндельных узлов. Револьверные магазины с постоянным положением относительно шпинделя (рис. 3, г) содержат больше инструмента, чем револьверные шпиндельные головки, и позволяют разместить шпиндель любой длины. Их недостатки: ограниченная емкость магазина, большой вылет шпинделя, вследствие этого снижение точности обработки, размещение громоздкого магазина непосредственно на шпиндельной бабке вблизи рабочей зоны станка и загромождение рабочей зоны. Магазины инструментов без автооператоров (рис. 3, д) требуют дополнительного радиального перемещения, что ограничивает их емкость и количество вариантов компоновок.

Классификация способов и устройств автоматической смены инструмента

Рис. 3. Классификация способов и устройств автоматической смены инструмента

Перемещение же шпинделя при автоматической смене инструмента (АСИ) к неподвижному магазину нарушает предварительную установку. Устройства автоматической смены инструмента с одним загрузочным оператором (рис. 3, e) получили широкое распространение. При повороте автооператор захватывает одновременно оправки с предыдущим и последующим инструментом, затем осевым перемещением выталкивает их из магазина и шпинделя, поворотом на 180° меняет местами и обратным осевым движением посылает предыдущий инструмент в магазин, который в компоновке нельзя располагать далеко от шпинделя. Магазин с автооператором на каждый инструмент (рис. 3, ж) имеет ограниченную емкость или же получается громоздким. Обслуживание устройства, расположенного в рабочей зоне, затруднено. Магазины с загрузочным и транспортным автооператорами (рис. 3, з) могут быть размещены на достаточном удалении от шпинделя, в удобном для обслуживания месте. Усложнение, связанное с дополнительным автооператором, компенсируется возможностью изготовления магазинов в виде независимых агрегатных узлов различной емкости.

Устройства с автооператором - накопителем инструмента (рис. 3, и) применяют с целью исключения использования большого магазина и ускорения автоматической смены инструмента при повторяющемся применении наиболее характерного для данной детали режущего инструмента. В комбинированном устройстве (рис. 3, к) револьверную шпиндельную головку используют в сочетании с магазином м, из которого легкие инструменты автоматически загружаются поочередно в два противоположных шпинделя. В остальных шпинделях устанавливают тяжелые инструменты, закрепляемые вручную. В комбинированном устройстве со специализированными шпинделями (рис. 3, л) двухшпиндельная револьверная головка для легких инструментов автоматически загружается из магазина М, а шпиндель, предназначенный для тяжелых инструментов, загружают вручную или из особого магазина. Сочетание револьверной головки и магазина позволяет время автоматической смены инструмента свести к времени индексации головки, поскольку поиск и загрузка-разгрузка инструментов совмещены с работой станка. Специализация шпинделей позволяет приспособить их конструкцию к условиям работы и уменьшить размеры магазина.

Время смены инструмента может быть сведено к минимуму (до 1 с) применением в устройствах автоматической смены инструмента многозахватных автооператоров (рис. 4), общее количество которых доходит до 16.

Классификация способов и устройств автоматической смены инструмента

Рис. 4. Последовательность работы устройства автоматической смены инструмента с многозахватным автооператором многооперационного станка FZ16 фирмы «Chiron» (ФРГ): α - рабочее состояние первого инструмента и исходное положение второго; б - выход из шпинделя первого инструмента и подвод второго; в - отвод в сторону первого инструмента и ввод на линию шпинделя второго: г - ввод в шпиндель в закрепление второго инструмента и отвод в исходное положение первого; 1 - шпиндель; 2 - скалка; 3 - захват; 4 - четырехзвенный механизм; 5 - пневмоцилиндр автооператор: 6 - пружина возврата обоями; 7 - спаренный пневмоцилиндр перемещения обоймы (одностороннего действия); 8 - обойма

Из конструктивных разновидностей магазинов наибольшее распространение получили дисковые и цепные, последние вследствие большой емкости и возможности различного размещения при компоновке. Положение магазина при компоновке в некоторых случаях однозначно определяется конструктивным типом устройства, а в других случаях благо даря автооператорам может быть неоднозначным. Расположение магазина и инструмента при компоновке определяет технология производства и эксплуатация станка и должно соответствовать общим требованиям к устройствам автоматической смены инструмента, которые были рассмотрены выше и здесь только перечисляются:

  • сокращение числа координатных движений при автоматической смене инструмента;
  • максимальное совмещение времени автоматической смены инструмента с работой станка;
  • сокращение координатной установки по осям Х и У при устройстве автоматической смены инструмента, что обеспечивает соосность отверстий при обработке разным инструментом;
  • отсутствие влияния массы инструментов в магазине на точность станка;
  • возможность увеличения емкости магазина без существенного влияния на конструкцию основных узлов станка;
  • возможность независимого агрегатного исполнения магазина (для поставки станков с автоматической сменой инструмента и без нее) и другие требования. Выполнение этих требований во многом зависит от расположения магазина в компоновке станка и прежде всего наличие самого магазина инструментов в устройстве автоматической смены инструмента, что обусловлено необходимостью выполнения требований и применением большого количества инструментов для обработки деталей.

В Экспериментальном научно-исследовательском институте металлорежущих станков (ЭНИМС) разработан агрегатированный комплекс многоинструментальных станков АКМ-26 (сверлильно-фрезерно-расточных многооперационных станков с построением автоматических устройств смены инструмента на агрегатной основе - система АКМ-26-АСИ).

Для автоматического поиска необходимого инструмента используют различные методы кодирования непосредственно инструментальной оправки или гнезда магазина:

  • Инструмент в определенной технологической последовательности - программируется только шаг (угол поворота магазина). Недостаток - нет повторного использования одного и того же инструмента.
  • Кодирование самих инструментов с помощью набора колец, закрепляемых на специальном цилиндрическом пояске оправки. Считывающее устройство контактного или бесконтактного типа формирует двоично-кодированные сигналы при движении относительно него инструментального магазина. В момент совпадения кода инструмента, заданного управляющей программой, с кодовым сигналом считывающего устройства происходит останов и фиксация магазина инструмента. Достоинство - расположение инструмента в любой последовательности. Недостаток - усложнение конструкции инструментальной оправки, снижение ее жесткости, увеличение массы магазина и времени поиска инструмента.
  • Кодирование гнезд магазина плоскими кодовыми ключами с различными комбинациями проточек (например, по двоично-десятичному коду), устанавливаемые в специальные замки рядом с соответствующим инструментом.
  • Кодирование гнезд магазина кодовым барабаном с набором кулачков, который установлен в хвостовой части вала магазина или механически связан с его приводом. Соответствующие каждой позиции магазина комбинации выступов кулачков на барабане воздействуют на контактные или бесконтактные микропереключатели считывающего устройства.
  • Третий и четвертый методы получили широкое применение из-за быстрого поиска инструмента, однако цикл и устройство управления устройствами автоматической смены инструмента усложняются.
  • Фирма «Хертель» (Австрия) разработала новую систему идентификации инструмента «Микролог-1D», состоящую из трех электронных элементов, ядром которых является чип с 32-битовым постоянным кодом. Для кодирования какого-либо предмета кодоноситель крепят в предусмотренном для него углублении. Считывание осуществляется индуктивно за несколько миллисекунд считывающей головкой. Достоинства - энергонезависимая память, хранящаяся много лет; индуктивная передача сигналов между кодоносителем и считывающей головкой; герметичность кодоносителя.

Перспективными считают способы кодирования и поиска инструмента с использованием фотоэлектрических, электромагнитных и других физических эффектов, позволяющих достичь наибольшей компактности конструкции устройства автоматической смены инструмента. Анализ выполненных работ по устройствам автоматической смены инструмента показал, что наметилась многоуровневая тенденция автоматических сменщиков инструмента, начиная от смены режущих элементов инструмента с изменением его положения и заканчивая сменой инструментальных магазинов. Можно полагать, что автоматическая смена инструмента расширит свои границы: с одной стороны, смена режущих пластин (рис. 5) или режущих кромок, с другой - смена стеллажей с инструментальными магазинами или целых складов в пределах гибкого технологического комплекса для ряда территориально объединенных заводов-автоматов.

Резец с автоматической сменой режущей пластины

Рис. 5. Резец с автоматической сменой режущей пластины

Резец (рис. 5) с автоматической сменой режущей пластины 2, установленной на опорной пластине 1 и державке 6 снабжен механизмами закрепления и сброса режущей пластины. Механизм сброса содержит по два подпружиненных толкателя 5, упирающихся в боковые поверхности пластины 2. Механизм закрепления включает в себя шток 8, пакет тарельчатых пружин 7, двуплечий рычаг 10, установленный на оси 9, стакан 12, зажимной элемент 4, подпружиненный диск 11 и пластинчатую пружину 3. Замена пластины осуществляется после износа по задней поверхности на 0,4...0,45 мм при средней стойкости 80.... 110 мин. Время работы устройства автоматической смены инструмента, а следовательно, и быстродействие, кроме всех прочих условий, в значительной мере зависят от выбранного закона движения. Законы изменения скорости движения рабочих органов УАСИ показаны на рис. 6.

С позиций наибольшего быстродействия оптимальным является треугольный закон изменения скорости (рис. 6, α), однако большие энергетические затраты, мгновенное изменение знака ускорения при переходе разгон - торможение (возникают большие динамические нагрузки, происходит перераспределение зазоров в механизмах и появление ударов) делают его мало пригодным. В большинстве устройства автоматической смены инструмента применяют закон изменения скорости движения близкий к трапецеидальному (рис. 6, б) - сплошная линия; вследствие потерь мощности и постепенного нарастания или спада нагрузки происходит плавное изменение скорости и ускорения - пунктирная линия. Ввиду того что в автоматических сменщиках инструмента прочность элементов приводов не ограничивает величину и распределение во времени ускорений, осуществление более сложных законов не требуется.

Рис. 6. Законы изменения скорости движения рабочих органов устройств автоматической смены инструмента: α - треугольный; б - трапецеидальный; в - трапецеидальный с позиционированием (для вращательного движения)

Также широко применяется двухступенчатый трапецеидальный закон с замедленной скоростью движения (скоростью позиционирования) для повышения точности работы устройства автоматической смены инструмента. Треугольный и трапецеидальный законы изменения скорости чаще всего применяют для поступательных движений, а трапецеидальный с позиционированием (замедлением) - для вращательных.

При переходных процессах (разгон - торможение) возникают колебания в механизмах привода, которые также ограничивают номинальное ускорение. Так как импульсные возмущения, образующиеся при разгоне и торможении, характеризуются силовым спектром, то в приводе появляются главным образом колебания с собственными частотами системы. Для ограничения этих колебаний время торможения должно быть таким, чтобы низшая собственная частота колебаний системы была выше полосы частот, в которой сосредоточена основная часть энергии импульсов.

Рациональную скорость поворота инструментального магазина определяют также по времени поворота. Отличительные особенности движения инструментальных магазинов по сравнению с другими узлами устройства автоматической смены инструмента - двухступенчатое изменение скорости (рис. 6, в) и переменная длина хода (поворот на разное число позиций).

При проектировании и расчете устройств автоматической смены инструмента необходимо учитывать, что вследствие неуравновешенности, обусловленной изменением масс инструмента, возникают дополнительные моменты, изменяющиеся по углу поворота, которые могут препятствовать или способствовать движению.