Механизмы автоматической смены режущих инструментов и их крепление на рабочих органах станка

 

Автоматическая смена инструментов на металлорежущих станках с ЧПУ может обобщенно производиться следующими способами:

1) изменением положения (поворотом) инструментального магазина (револьверной головки);

2) путем передачи инструмента из магазина в шпиндель станка че­рез промежуточный накопитель (поворотную головку с двумя и более позициями);

3) путем непосредственной смены инструмента шпинделем станка из магазина;

4) путем передачи инструмента из магазина в шпиндель станка ав­тооператором.

Первый — наиболее простой способ автоматической смены инстру­ментов, когда они устанавливаются в револьверных головках (см. рис. 8.16).

Рис. 8.41. Последовательность смены инструмента на многоцелевом станке фирмы Mandelli:

а, б — соответственно разжим оправки и отвод шпинделя; в, г — соответственно поворот и фик­сация головки; д — подвод шпинделя и зажим оправки

Практически на всех токарных (см. рис. 8.17), а также на некото­рых многоцелевых станках (см. рис. 8.25) смена инструмента произво­дится простым поворотом револьверной головки на нужное число пози­ций с затратой минимального времени.

При применении многопозиционных револьверных головок и одного шпинделя на многоцелевых станках (см. рис. 8.26, в, г ирис. 8.41) сме­на инструмента осуществляется также путем поворота головки, но за бо­лее длительное время, чем при первом способе, необходимое для разжи­ма оправки с инструментом 1 (см. рис. 8.41), отвода шпинделя 2, пово­рота и фиксации головки 3, подвода шпинделя и зажима в нем новой оправки с инструментом 4.

Минимальное время смены инструмента (1—2 с) при более сложной конструкции достигается при втором способе, когда применяет­ся двухпозиционная поворотная головка в комплекте с инструменталь­ным магазином (см. рис. 8.29,6 и 8.40,5). В этом случае время смены инструмента, вызывающей простои станка, равно времени расфиксации, поворота на 180° и фиксации двухпозиционной головки. Выбор инстру­мента в магазине, установка его на свободную позицию головки проис­ходят в течение обработки заготовки.

На рис. 8.42 показана схема автоматической смены режущих инструментов на токарном станке с ЧПУ фирмы Heyliegenstaedt (Герма­ния).

Рис. 8.42. Устройство автоматической смены инструмен­та на токарном станке с ЧПУ фирмы Heyliegenstaedt:

а — схема смены инструмента в головке; б — двухпозиционная поворотная головка

Режущие инструменты в державках установлены в магазине 1 (рис. 8.42, а), откуда они с помощью автооператора 3 устанавливаются поочередно на двухпозиционную поворотную головку 2. По окончании технологического перехода головка 2 поворачивается на 180° (см. рис. 8.42, б) и в рабочую позицию устанавливается другой инструмент (вре­мя поворота головки 1,5 с). Во время обработки заготовки автоопера­тор 3 (см. рис. 8.42, а) убирает из второй позиции головки использован­ный инструмент, а из магазина устанавливает на головку следующий.

Аналогично происходит смена инструмента и на многоцелевом стан­ке с ЧПУ, показанном на рис. 8.29, б.

Применяют конструктивные варианты, в которых вместо двухпози­ционной поворотной головки совместно с инструментальным магазином используют четырех-шестипозиционные револьверные головки. Располо­женные напротив друг друга, позиции как бы выполняют функции двух­позиционной поворотной головки, а в остальных позициях устанавлива­ют постоянно два—четыре инструмента (например, фрезы большого диаметра), с помощью которых также периодически производится обра­ботка заготовок. Смена инструмента также осуществляется путем пред­варительной установки инструмента из магазина во время обработки заготовки в свободную позицию револьверной головки, а затем ее пово­рота на 180°.

Недостаток такого способа смены инструмента — помимо конструк­тивного усложнения также уменьшение жесткости узла шпинделя (или суппорта) и снижение качества обработки заготовки вследствие возмож­ных ударов и вибраций при обработке при смене инструмента во второй позиции поворотной головки. Инструментальный магазин должен нахо­диться на общей подвижной части с двухпозиционной головкой, что уве­личивает их общую массу.

В некоторых станках с ЧПУ применяют третий способ смены ин­струмента. Смена инструмента осуществляется за счет определенного цикла перемещения шпиндельной бабки 2 (рис. 8.43) относительно инструментального магазина 1.

 

Рис. 8.43. Последовательность смены инструмента на многоцелевом станке с ЧПУ фирмы Mandelli:

а — подвод шпиндельной бабки к магазину и установка в него инструмента; б — разжим оправ­ки, отвод шпинделя, поворот магазина; в — захват шпинделем новой оправки с инструментом; г — подвод шпиндельной бабки в зону обработки

Хотя при этом конструкция механизма ав­томатической смены инструмента проще из-за отсутствия автооперато­ра, но требуется значительное время на смену инструмента. Поэтому наиболее широко в многоцелевых станках применим четвертый способ смены инструмента с автооператором, который, хотя и сложнее, но зна­чительно сокращает время смены инструмента благодаря его предвари­тельному выбору из магазина во время обработки заготовки.

При данном способе смены инструмента конструкцию и компоновку механизмов выполняют по-разному в зависимости от места расположе­ния инструментального магазина на станке. Для сокращения времени смены инструментов магазин следует располагать как можно ближе к шпинделю станка, а лучше — непосредственно на шпиндельной бабке рядом со шпинделем. Однако это резко увеличивает ее массу. Поэтому чаще всего инструментальные магазины располагают стационарно на верхней части колонны станка или сбоку (слева или справа). Крупно­габаритные цепные магазины большой вместимости выполняют как уни­фицированные модули и устанавливают около станка.

В зависимости от положения на станке магазина применяют раз­личные конструктивные схемы автооператоров и циклы их движений.

На рис. 8.44, а—в показана последовательность смены инструмента в шпинделе 3 автооператором 2 из магазина /, расположенного свер­ху на колонне станка с горизонтальной компоновкой шпинделя, когда оси оправок расположены вертикально. Более простой вариант автоопе­ратора достигается при горизонтальном расположении оси оправки в зо­не смены инструментов (рис. 8.44, г).

При расположении инструментального магазина сбоку на шпин­дельной бабке, колонне станка или отдельным узлом около станка при­меняют способ автоматической смены инструмента, показанный на рис. 8.45.

На первом этапе (рис. 8.45, а) производится выбор нужного ин­струмента 4 и установка его магазином в позицию смены. Автоопера­тор 3, поворачиваясь на 90°, захватывает инструмент 4 и, перемещаясь в осевом направлении, выводит его из гнезда магазина.

Рис. 8.45. Последовательность смены инструмента при расположении магазина сбоку от станка:

а — схема выбора инструмента в магазине; б — схема смены инструмента в шпинделе

После окончания обработки инструментом 1, установленным в шпинделе станка, кронштейн 2 автооператора поворачивается на 90° в зону смены инструмента. Автооператор 2 (рис. 8.45, б) поворачивается и захватывает второй рукой сменяемый инструмент 1, находящийся в шпинделе станка (во второй руке находится новый инструмент 3). Пе­ремещаясь в осевом направлении, автооператор 2 выводит из шпинделя использованный инструмент 1, поворачивается на 180° и вводит в поса­дочное отверстие шпинделя новый инструмент 3, который там зажи­мается.

После этого автооператор 2 поворачивается на 90° в исходное по­ложение (см. рис. 8.45, а), где он устанавливает снятый из шпинделя инструмент в инструментальный магазин.

Пример выполнения смены инструмента на многоцелевом станке с вертикальной компоновкой шпинделя 3 автооператором 2 из магазина / показан на рис. 8.46.

На рис. 8.47 показана конструкция автооператора механизма авто­матической смены инструмента. Двухзахватная рука 1 может поворачи­ваться вместе со шлицевым валом 7, установленным на подшипниках в корпусе 6, и перемещаться относительно него в осевом направлении. Поворот осуществляется гидроцилиндрами 2 и 3 соответственно на 180 и 90° через зубчатые рейки на штоках гидроцилиндров и повышающие зубчатые передачи 4.

Осевое перемещение руки 1 относительно вала 7 осуществляется гидроцилиндром 10, шток которого жестко соединен с вилкой 8, входящей в кольцевой паз во фланце руки. При осевом перемещении руки вперед вместе с ней движется тяга 9, которая перемещает шестерню 5, расцепляя ее с зубчатым колесом привода поворота на угол 90° и при­соединяя к аналогичному механизму привода поворота на 180°.

При возврате руки в осевом направлении подпружиненный плун­жер 11 смещается вперед, сжимая пружину, и освобождает фикса­тор 12 зажимного устройства, который расфиксирует хвостовик с инст­рументом.

Для захвата автооператором хвостовиков с инструментами приме­няют захватные устройства различных типов.

На рис. 8.48 показаны конструкции захватных устройств клещевого типа и типа охватывающей скобы.

С фиксирующим устройством.

 

В первом устройстве (см. рис. 8.48,а) захват хвостовика 8 произ­водится сменными зажимными губками 1 трапецеидального профиля, установленными на рычагах 2. Оси качания 7 рычагов 2 закреплены в корпусе 6.

Зажим губками 1 хвостовика 8 производится с помощью серег 3, установленных на рычагах 2, и втулки 4 с пружиной 5 при отходе втул­ки 4 и штока гидро- или пневмоцилиндра назад (на рисунке не показа­ны). Разжим хвостовика осуществляется гидро- или пневмоцилиндром при перемещении штока и втулки 4 вперед.

В другом устройстве (см. рис. 8.48, б) захват хвостовика 7 с ин­струментом производится скобой 1 с V-образным профилем, закреплен­ной на руке 3, а также поворачивающимся относительно руки фиксато­ром 6, установленным на рычаге 2 и имеющим такой же поперечный профиль, как у скобы /.

При зажиме хвостовика фиксатор прижимается к нему стержнем 5 под действием пружины 4. Отжим хвостовика осуществляется в момент подвода корпуса руки к торцу шпинделя станка или к инструментально­му магазину, когда стержень 5 утапливается в специальный паз на под­вижном упоре механизма выдвижения руки (на рисунке не показан), Описание конструкций механизмов смены инструментов многоцеле­вых станков приведено в работах [3, 4, 7].

При применении на многоцелевых станках многошпиндельных го­ловок их смена может производиться путем поворота револьверной го­ловки, в позициях которой установлены многошпиндельные головки (см. рис. 8.40, б, в), а также с помощью автооператора, который уста­навливает головку из магазина на шпиндельную бабку (см. рис. 8.40,г,5). При этом в первом случае (см. рис. 8.40,5) смена головок производится захватом головок 1 и 3 автооператором 2 и поворотом на 180°. Во втором случае (см. рис. 8.40, г) смена головок осуществля­ется их линейным смещением соответственно из магазинов 1 и 2 в позицию на шпиндельной бабке 3, и наоборот: со шпиндельной бабки — в магазин.

Важной задачей при проектировании механизмов автоматической смены инструментов является достижение минимального времени сме­ны инструмента.

Повышение быстродействия механизмов автоматической смены ин­струментов осуществляется следующим образом:

совершенствованием компоновки механизмов автоматической сме­ны и станков в целом, что способствует сокращению времени и числа последовательных движений, а также перемещений исполнительных органов, это достигается в основном с помощью конструктивных меро­приятий;

совершенствованием приводов механизмов автоматической смены инструментов (в основном автооператоров) путем улучшения их струк­туры и динамических процессов в них, что способствует повышению ре­жимов работы и долговечности этих механизмов,

Характерные особенности работы автооператоров — непродолжи­тельное время цикла работы, непостоянство массы и момента инерции исполнительных органов, большие динамические нагрузки, колебания и удары в механизмах приводов во время переходных процессов (при разгоне, торможении и реверсе).

Приводы автооператоров представляют собой системы, состоящие из двигателя, передаточного механизма и устройства управления, вклю­чающие также датчики положения, скорости, силы и др.

В (качестве приводных двигателей используют гидро- и пневмоцилиндры, гидро- и пневмодвигатели с вращательным и неполноповоротным качательным движением ротора, электродвигатели постоянного и переменного тока, линейные двигатели и электромагниты.

Передаточные механизмы автооператоров могут быть различными: простые зубчатые, планетарные и волновые редукторы, преобразова­тели движения (зубчато-реечные, рычажные, кривошипные, кулачковые и др.).

Переходные режимы работы автооператоров характеризуются зако­ном изменения скорости υих движения по времени t. Хотя наиболь­шее быстродействие механизма достигается при треугольном законе изменения скорости, когда переходный процесс совершается за два этапа — разгон с максимально возможным ускорением до максималь­ной скорости и затем торможение с наибольшим замедлением до пол­ной остановки, — на практике применяют трапецеидальный закон изменения скорости (рис. 8.49), когда имеется три фазы: разгон t_р, уста­новившееся движение t_у с постоянной скоростью υ_у и торможение t_т.

Рис. 8.49. График изменения скорости движения автооператора

При ограничении скорости υ, а также ускорения при разгоне а_р и торможении а_т уменьшаются габаритные размеры двигателя и затраты энергии, снижаются ударные нагрузки на механизм привода и увели­чивается его долговечность.

Общее время tдвижения автооператора можно определить по фор­муле [6]

(8.1)

Здесь l — общий путь движения автооператора; а_т — ускорение при торможении; = ; , где а_р —ускорение при разгоне; |а_р|=tgα_р; υ — скорость установившегося (равномерного) движения.

Оптимальная скорость υ_опт поступательного движения автоопера­тора составляет 0,4—1,2 м/с. При малых перемещениях не требуется высоких скоростей движения, а с увеличением длины хода υ_опт воз­растает.

Номинальное значение ускорения ограничивается уровнем колеба­ний механизмов привода. Для уменьшения этих колебаний необходи­мо, чтобы время t_т торможения было значительно больше периода Т_к собственных колебаний привода. В большинстве случаев Т_к= =0,02... 0,04 с и t_т=0,08... 0,1 с. При l =0,15... 0,3 м для выполне­ния этого условия необходимо, чтобы а _т=5...6 м/с², при l =0,7.. 0,8 м а _т= 10... 12 м/с².

Особенностью работы автооператоров является их неуравновешен­ность вследствие переменности масс хвостовиков с инструментами. По этой причине возникает дополнительный момент сопротивления, изме­няющийся в зависимости от положения автооператора при его дви­жении.

Момент неуравновешенности М_н для автооператора с горизонталь­ной осью вращения (рис. 8.50) [6] составляет

(8.2)

где m₁ и m₂ — масса хвостовиков с инструментами; g —ускорение силы тяжести; r — расстояние между осями автооператора и хвостовика; φ — угловое положение автооператора.

В зависимости от положения автооператора направление действия момента М_н может изменяться.

 

Рис. 8.50. Расчетная схема для определения мо­мента М_н неуравновешенности автооператора

Максимальный момент приводного двигателя М _{д max} и его мощ­ность М _{д max} определяют по формулам [6]:

(8.3)

(8.4)

 

Здесь — суммарный динамический момент инерции двигателя и ме­ханизма, приведенный к валу двигателя с учетом общего коэффици­ента передачи k_n; где т — масса исполнительного орга­на; J _д — момент инерции двигателя; ∆φ_д — угол поворота вала дви­гателя; k _м — коэффициент нагрузки двигателя по моменту, k _м= М_с' — статический момент нагрузки; — параметр, получаемый по диаграмме скорости движения (см. рис. 8.49).

По полученным параметрам выбирают соответствующий двигатель, а затем по его характеристикам уточняют минимальное время выпол­нения движений автооператором и проводится его проектный расчет.

Характеристики приводов поступательного движения (с гидро-, пневмоцилиндрами и другими линейными двигателями) выбирают по расчетным значениям параметров автооператора: наибольшей скорости и предельной нагрузке силой F_max. По этим значениям и выбран­ному давлению р определяют диаметр цилиндра [6]:

(8.5)

где b = 1,1... 1,5 — коэффициент, зависящий от типа уплотнений што­ка цилиндра.

Затем находят расход рабочей жидкости Q = υ_mахS, где S — пло­щадь поршня.

По каталогу определяют ближайший типоразмер гидро- или пневмоцилиндра и с учетом его характеристик выполняют проектный рас­чет привода автооператора.

Пример проектирования конкретного механизма привода авто­оператора для смены инструментов на многоцелевом станке приведен в работе [6].

При автоматической смене инструментов важной задачей является поиск нужного инструмента в магазине. Это может обеспечиваться сле­дующими способами:

1) установкой инструментов в магазине в соответствии с последо­вательностью обработки заготовки. В этом случае инструменты зани­мают в магазине одно и то же место. Каждый инструмент используется в течение цикла обработки только один раз, Если вместимость магази­на превышает число используемых при обработке инструментов, пре­дусматривают вспомогательные перемещения (повороты) магазина. Не­достаток данного способа — возможность ошибок оператора при комп­лектовании и установке инструментов в магазин, а также ограничен­ные технологические возможности станка;

2) кодированием посадочных мест магазина. Хвостовики с инст­рументами в этом случае устанавливают в одни и те же места, но могут использоваться многократно в любой последовательности. Одна­ко здесь также не исключается возможность ошибки при установке хвостовиков в конкретное гнездо магазина;

3) кодированием самих хвостовиков с инструментом. Инструменты в этом случае могут устанавливаться в любой последовательности и в любое место на магазине. Первоначально в большинстве многоцелевых станков кодирование хвостовиков с инструментами проводилось установкой на хвостовике набора кодовых колец.

Пример кодирования хвостовиков с помощью установки на хво­стовике 2 комбинации из десяти колец 1 показан на рис. 8.51. Первые пять колец обозначают номер группы инструментов, а другие пять — номер инструмента.

Рис. 8.51. Хвостовик с кодовыми кольцами

В этом случае возможно кодирование 31 группы по 31 инструменту в каждой группе, т. е. 961 инструмента. При рас­положении кодовых колец, показанном на рис. 8.51, номер группы 2+4=6 и номер инструмента 1+2+8=11.

При повороте магазина хвостовики перемещаются относительно ощупывающего устройства. Когда находится нужный инструмент, мага­зин останавливается и происходит смена инструмента. Недостаток дан­ного способа — усложнение конструкции хвостовика и увеличение его длины, относительная трудоемкость установки колец.

В настоящее время применяется электронная система кодирования резцедержавок и хвостовиков. На рис. 8.52 показана система кодиро­вания резцедержавок фирмы Sandvic Coromant. Фирма Hertel применяет в качестве носителя кода микроэлемент с защищенной 44-битной па­мятью, функционирующий как запоминающее устройство и не требую­щий никакого электропитания. Он имеет небольшие размеры (диаметр 12,4 или 8,5 мм, толщина 7 мм) и высокую механическую прочность.

Для каждой резцедержавки или хвостовика в память вводятся следующие данные: геометрический профиль режущей пластины; ма­териал инструмента; типоразмер и геометрический профиль инструмен­та; значение коррекции.

Считывание информации производится бесконтактно с высокой ско­ростью на расстоянии до 12 мм. Внешние воздействия (стружка, СОЖ, грязь) не оказывают влияния на передачу сигналов.

Технические характеристики элементов для кодирования инстру­ментов, выпускаемых фирмой Gerhard Baluff (Германия), приведены в подразд. 9.5.

Хвостовики с инструментами, взятые автооператором из инструмен­тального магазина, устанавливаются в конусное Посадочное отверстие шпинделя станка (конус 7:24, выполненный по ГОСТ 15945—82) и там зажимаются. Перед установкой хвостовика шпиндель должен иметь строго ориентированное положение, что выполняется специальным ме­ханизмом. Кроме того, его посадочное отверстие продувается сжатым воздухом для удаления возможных загрязнений.

Зажим хвостовиков в шпинделе производится их осевым смеше­нием тарельчатыми пружинами с захватом за специальную часть хво­стовика либо с помощью шариков (рис. 8.53,а), либо специальной ле­пестковой цангой (рис. 8.53, б).

В первом случае (см. рис. 8.53, а) при осевом смещении втул­ки 4 вверх тарельчатыми пружинами шарики 2 вдавливаются конус­ной частью гильзы 3 и захватывают хвостовик 1, втягивая его в от­верстие шпинделя. При разжиме втулка 4 смещается вниз, шарики 2 выходят из ее отверстий на конусном участке гильзы 3, освобождая хвостовик.

Во втором случае (см. рис. 8.53, б) захват хвостовика 2 произво­дится лепестками цанги 1 при осевом смещении тарельчатыми пру­жинами штанги 3, когда лепестки сжимаются гильзой 4. При смеще­нии штанги 3 вниз лепестки цанги освобождают хвостовик 2.

Коническое соединение переднего конца шпинделя с хвостовиком должно обеспечивать точное центрирование хвостовика в шпинделе и требуемую жесткость соединения.

Для конического соединения шпинделя и хвостовика в соответст­вии с расчетной схемой, показанной на рис. 8.54, упругое перемещение

 

Рис. 8.53. Схемы зажима оправки в шпинделе станка:

а— шариками; б — лепестковой цангой

 

под действием радиальной силы N, приложенной на расстоянии а от конца шпинделя, равно [2]

(8.6)

где δ — смещение на краю конического соединения вследствие контакт­ных деформаций; θ — угол поворота в коническом соединении. Без учета погрешностей в комическом соединении

(8.7)

(8.8)

где с 0,2 — коэффициент контактной податливости, мкм·м²/Н; с₁, с₂, с₃— коэффициенты; с₁= с₂≈ 1,35;с₃=1.

Для конусных соединений со стандартным конусом 7:24, приме­няемым в станках с ЧПУ, без учета погрешностей изготовления можно определить жесткость (Н/мкм) соединения в точке приложения си­лы N:

(8.9)

где D — диаметр хвостовика, см; а — расстояние от торца шпинделя до точки приложения силы N, см (см. рис. 8.54).

Угловые погрешности при изготовлении конусов отверстия шпин­деля и хвостовиков могут существенно уменьшить жесткость соедине­ния. По данным работы [2], различие в углах конусов примерно 30"–40" снижает жесткость конического соединения с конусом 7:24 в 10–15 раз.

Рис. 8.54. Схема к расчету жесткости конического

соединения хвостовика с инструментом в шпинделе станка

Поэтому рекомендуется, чтобы угол конуса хвостовика был больше угла конуса отверстия шпинделя не более чем на 1".

Для надежного центрирования и обеспечения жесткости кониче­ского соединения хвостовика в шпинделе производится его осевая за­тяжка в отверстие шпинделя осевой силой F₀ (см. рис. 8.54), рав­ной [2]

(8.10)

где р — среднее давление на конических поверхностях; α — угол конуса; ρ — угол трения.

Для нормальной работы рекомендуется применять осевую силу F₀, способную создать давление на конических поверхностях р =1,5...2,0 МПа. Это условие требует, например, для конуса хвостовика 50 (см. табл. 8.1) силу затяжки F ₀ = 15 кН.

На рис. 8.55 показаны конструкции шпинделей многоцелевых стан­ков с зажимом оправок в шпинделе втулкой с шариками (рис. 8.55, а) и специальной цангой (рис. 8.55, б).

Второй вариант зажима оправки в шпинделе применен, например, в многоцелевом станке 1Ф2171 с ЧПУ (рис. 8.56). Зажим оправки 2 в шпинделе 1 производится тарельчатыми пружинами 14, а разжим — гидропоршнем 13. При смещении тяги 7 наконечник 6., смещая цан­гу 4, состоящую из трех лепестков, соединенных пружинным коль­цом 5, зажимает или освобождает захват 3. на хвостовике.

На верхнем конце тяги 7 закреплена втулка 8, в которой смонтирован толкатель 9 и три шарика 10, через которые от тарельчатых пружин 14 передается сила, зажимающая оправку.

Шарики 10 одно­временно предотвращают ослабление зажима оправки в процессе об­работки. Конструкция механизма обеспечивает разгрузку опор шпин­деля от усилий зажима.

С помощью конечных выключателей 11 и 12 контролируются за­жим и освобождение оправки, а также ее отсутствие в шпинделе. В случае неправильной затяжки инструмента вращение шпинделя не включается.

На рис. 8.27 показана конструкция механизма зажима хвосто­вика в шпинделе вертикально-фрезерного станка с ЧПУ. Описание других конструкций механизмов зажима хвостовиков в шпинделях при­ведено в работах [3, 4, 7].

В настоящее время револьверные головки, некоторые конструк­ции инструментальных магазинов и механизмов автоматической сме­ны инструментов унифицированы и выпускаются централизованно в виде модулей, которые могут использоваться в различных станках с ЧПУ

(Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: Справочник-учебник. 2 т.

⇐ Предыдущая19202122232425262728Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: