Механизмы АСИ станков ЧПУ

На станках с ЧПУ токарной группы наиболее широко применяются многопозиционные револьверные головки (рис. 2.16) [3–5], число инструментов в которых позволяет осуществить полную токарную обработку заготовок. Около 70 % заготовок могут быть обработаны всего восемью инструментами, а при наличии 13 инструментов можно обработать более 95 % заготовок. Револьверные головки применяются четырех-, шести-, восьмипозиционные и с большим числом позиций.

Наиболее широко используются восьмипозиционные головки. При оснащении токарных станков двумя независимо программируемыми головками в обработке заготовок одновременно принимают участие два инструмента

Рис. 2.16. Фотографии револьверных головок

Револьверные головки применяются с вертикальной, горизонтальной и наклонной (корончатые) осями вращения; инструменты устанавливаются в той последовательности, в какой они используются согласно технологическому процессу. Смена инструмента осуществляется поворотом и фиксацией головки или линейным ее перемещением (в случаях, когда в одной позиции установлено несколько инструментов).

Инструментальный магазин – револьверная головка – является рабочим органом станка, воспринимающим силы резания, следовательно, к нему предъявляются требования высокой прочности, жесткости и точности позиционирования. Инструменты для обработки внутренних и наружных поверхностей не должны мешать друг другу. Время смены инструмента должно быть минимальным. Замена инструмента должна осуществляться удобно и легко, для чего к нему необходимо обеспечить свободный доступ.

На рис. 2.17 показаны схемы различных вариантов и сочетаний револьверных головок, применяемых на токарных станках с ЧПУ. Изначально на станки устанавливалась револьверная головка, выполненная по аналогии с резцедержателем универсального станка.

В такие четырехпозиционные револьверные головки с осью, перпендикулярной к оси шпинделя (рис. 2.17, а), на каждой грани головки может быть установлено несколько инструментов. При этом можно вести обработку сразу несколькими инструментами.

Попытка увеличить количество позиций револьверных головок привела к созданию 6-, 8-, 10- и 12-позиционных головок с осью, перпендикулярной оси шпинделя станка (рис. 2.17, б). В 12-позиционной головке могут быть установлены шесть инструментов для обработки наружных поверхностей и шесть для внутренних.

Дальнейшее совершенствование револьверных головок привело к созданию головок с осью, параллельной оси шпинделя (рис. 2.17, в) 8- и 12-позиционных, обеспечивающих максимальную точность установки инструмента. Такие головки используются, в основном, на патронно-центровых станках.

Шестипозиционные корончатые револьверные головки показаны на рис. 2.17, г.

Дальнейшее стремление увеличить емкость головок привело к установке нескольких инструментальных головок на одной каретке. Две головки 4-, 5- или 6-позиционные с осью вращения, перпендикулярной к оси шпинделя, установленные на одной каретке, показаны на рис. 2.17, д, а две головки с осью, параллельной этой оси, установленные на одной каретке - на рис. 2.17, е.

Если допустить возможность независимого перемещения головок по оси, перпендикулярной к шпинделю, то вполне возможно осуществлять обработку сразу нескольких поверхностей. Две головки (4- или 6-позиционные) с осью, перпендикулярной оси шпинделя, с независимым поперечным перемещением (рис. 2.17, ж) обеспечивают одновременную обработку заготовки двумя инструментами. Две головки на общей каретке, одна из которых (с восемью и большим числом позиций) с осью, параллельной оси шпинделя, предназначена в основном для обработки наружных поверхностей, а вторая четырех- или шестипозиционная с осью, перпендикулярной оси шпинделя для внутренних поверхностей, показаны на рис. 2.17 з. Две головки на одной каретке, одна из которых корончатая, а вторая с осью, перпендикулярной оси шпинделя, – на рис. 2.17, и.

Рис. 2.17. Схемы конструктивного исполнения револьверных головок токарных станков

На рис. 2.17, а) и б) показаны две головки с независимым перемещением, одна из которых с осью, параллельной оси шпинделя, а вторая - с осью, перпендикулярной оси шпинделя, предназначены для обработки внутренних поверхностей.

Однако применение таких конструкций с несколькими револьверными головками ведет к значительному усложнению конструкции станка, системы ЧПУ, повышает сложность разработки управляющих программ, а количество поверхностей, допускающих совместную обработку, ограничено.

В последнее время отмечается тенденция к увеличению числа инструментов для обработки одной заготовки детали. Причиной являются усложнение обрабатываемых деталей и требование выполнения обработки заготовок с одной установки с целью сокращения цикла обработки. Для этой цели число позиций револьверных головок увеличивают до 15.

Работы по увеличению емкости одной головки были перспективными, что привело к разработке peвoльверных головок с осью, параллельной оси шпинделя (рис. 2.17, л), установка инструмента на которых производится в два ряда: на периферии и на торце. На периферии устанавливается инструмент для наружной обработки, а на торце посредством цилиндрических державок закрепляют инструмент для внутренней обработки и различный осевой инструмент.

В последнее время на токарных станках с ЧПУ используются агрегатированные револьверные головки, представляющие собой полностью законченные узлы, устанавливаемые на каретке или суппорте станка.

Значительная часть (70 - 75 %) обрабатываемых на токарных станках с ЧПУ видов деталей (фланцы, валы, стаканы) требуют и других отличных от токарных методов обработки, к которым относятся: сверление, резьбонарезание метчиком, фрезерование боковых поверхностей и канавок. Для сокращения цикла обработки таких деталей их целесообразно полностью обрабатывать на одном станке, что исключает время на переустановку заготовки со станка на станок. Однако, если установить в револьверной головке токарного станка вращающийся инструмент, то заготовки могли быть полностью обработаны на одном станке. Практическая реализация данной идеи привела к созданию револьверных головок с приводными позициями (рис. 2.18).

Показанная на рис. 2.18 головка вследствие того, что одновременно вращаются сразу все инструменты, имеет ряд существенных недостатков: представляет опасность для оператора и значительные затраты энергии на бесполезное вращение неиспользуемого инструмента. Данные недостатки привели к созданию револьверных головок, у которых вращается только один задействованный в обработке инструмент (рис. 2.19).

Рис. 2.18. Конструктивная схема револьверной головки с вращающимися шпинделями токарного станка

Токарные станки, оснащенные приводным инструментом, получили название токарных обрабатывающих центров. Такие станки обычно оснащаются: одной револьверной головкой, содержащей как приводной, так и неподвижный инструмент; двумя револьверными головками, одна из которых содержит неподвижный инструмент, а вторая приводной.

В одну из приводных позиций может быть установлен патрон позволяющий в процессе обработки перебазировать деталь с другой стороны и провести обработку заготовки с двух сторон.

Рис. 2.19. Схема шестипозиционной револьверной головка с вращающимся инструментом: 1 – приводной двигатель; 2 – зубчатая ременная передача; 3, 4 – полумуфты; 5 – инструмент

Однако чаще такие станки снабжаются противошпинделем, позволяющим высвободить револьверную головку для обработки. Пример компоновки токарного пруткового автомата с ЧПУ модели Diamond 20CS показан на рис. 2.20 [6].

Токарные станки с ЧПУ могут быть оснащены устройствами АСИ, состоящими из магазинов-накопителей инструмента и манипуляторов, которые автоматически заменяют инструмент в резцедержателе. Применение таких устройств АСИ имеет следующие преимущества перед револьверными головками: исключается возможность сталкивания инструмента, что значительно упрощает программирование и составление карт наладки; наличие большего числа инструментов в магазине позволяет обработать максимальное число поверхностей с одной установки; обеспечивается возможность замены инструментов в магазине во время работы станка, что сводит к минимуму подготовительно-заключительное время на смену комплекта инструментов.

Рис. 2.20. Компоновка станка Diamond 20CS: 1 – шпиндель, имеющий возможность перемещения по оси Z; 2 – противошпиндель, имеющий возможность перемещения по оси Z; 3 – приводной инструмент для обработки наружных поверхностей; 4 – приводной инструмент для обработки торцовых поверхностей и неподвижный инструмент для обработки внутренних поверхностей; 5 – инструмент для наружной обработки

Примеры обработки поверхностей на токарных обрабатывающих центрах показаны на рис. 2.21.

В настоящее время магазины − накопители устанавливаются, в основном, на токарные обрабатывающие центры с вертикальным расположением оси шпинделя. На станках с горизонтальным расположением оси шпинделя используются, в основном, восьмипозиционные револьверные головки с горизонтальной осью вращения.

При изготовлении криволинейных пазов и поверхностей кулачков, а также для растачивания отверстий с точным угловым расположением требуется привод шпинделя, управляемый УЧПУ и обеспечивающий программируемое угловое перемещение шпинделя, частоту и направление вращения. Для этого используется следящий привод с обратной связью по угловому положению шпинделя.

Рис. 2.21. Примеры обработки на станках с револьверной головкой с приводными шпинделями

При фрезеровании и нарезании резьбы гребенкой, при точении многогранников или фрезеровании винтовых канавок применяется синхронизация вращения инструмента и заготовки.

2.3.2. Устройства АСИ для фрезерно-сверлильно-расточных (многоцелевых) станков

В общем случае устройства АСИ многоцелевых станков состоят из следующих компонентов [3]: инструментальных магазинов, являющихся накопителями инструмента (блоков режущего и вспомогательного инструмента для инструментальных шпинделей); инструментальных манипуляторов, предназначенных для смены инструмента в шпинделе станка; промежуточных транспортных манипуляторов, предназначенных для передачи инструмента от магазина к инструментальным манипуляторам или к промежуточным позициям –- накопителям инструмента.

Основные требования, предъявляемые к инструментальным магазинам, следующие: достаточная вместимость; высокая точность позиционирования инструмента в рабочем органе станка; легкость и удобство загрузки магазинов и хороший доступ к ним; минимальное время, затрачиваемое на смену инструмента; высокая надежность; наименьшее число координат при смене инструмента.

Вместимость инструментальных магазинов весьма различна (от 6 до 160 шт. и более). Наименьшую вместимость имеют револьверные головки, а наибольшую – барабанные и цепные магазины. Конструктивные исполнения устройств АСИ зависят от типов станков, рабочей зоны расположения шпинделя, необходимого числа и типа инструментов.

Используются три типа устройств АСИ: для смены шпиндельного узла; для смены инструмента в шпинделе станка и комбинированные.

Устройства для смены шпиндельного узла подразделяются на устройства с револьверными головками (рис. 2.22) и с дисковыми магазинами (рис. 2.23). В револьверных головках инструменты устанавливаются в требуемой последовательности обработки заготовки. Автоматическая смена инструмента осуществляется расфиксацией, поворотом и фиксацией револьверной головки. Инструменты, как правило, закрепляются в гнездах магазина и не меняются в течение всего времени обработки партии заготовок. Магазин является рабочим органом станка, воспринимающим силы резания.

При применении револьверных головок необходимость наличия инструментальных и транспортных манипуляторов, а также промежуточных накопителей отсутствует. Преимуществом таких устройств АСИ являются простота конструкции, минимальное время, необходимое для смены инструментов (1–3 с), отсутствие автоматической смены инструмента в шпинделе станка.

Рис. 2.22. Схема устройства смены шпиндельного узла в виде револьверной головки

Рис. 2.23. Схема устройства смены шпиндельного узла в виде дискового магазина

Недостатки: небольшое число инструментов; ограниченность рабочей зоны (поскольку подача инструмента осуществляется перемещением револьверной головки); невысокая жесткость инструментальных шпинделей.

По положениям осей револьверных головок эти устройства подразделяются на головки с горизонтальной и вертикальной осями вращения. Наиболее широкое применение получили револьверные головки с горизонтальной осью вращения (на многоцелевых станках с вертикальным шпинделем).

Устройства для смены шпиндельного узла в виде дискового магазина используются с горизонтальной, вертикальной или наклонной осью поворота. Шпиндели поочередно присоединяются к приводу, обеспечивающему вращение и подачу шпинделя (рис. 2.23). При смене инструмента шпиндель отсоединяется от привода. Магазин поворачивается в положение, при котором очередной шпиндель устанавливается соосно со шпинделем привода и присоединяется к последнему.

Преимуществом устройств АСИ с магазином шпиндельных гильз перед устройствами с револьверными инструментальными шпиндельными головками является увеличение числа инструментов, большая жесткость шпинделя, меньшие ограничения зоны обработки, поскольку подача инструментов осуществляется перемещением гильзы шпинделя.

По сравнению с устройствами АСИ со сменой инструмента в шпинделе станка, АСИ с магазином шпиндельных гильз имеют меньшую жесткость шпинделя из-за необходимости увеличения вылета инструмента, меньшую вместимость магазинов, необходимость при смене инструмента отвода заготовки на значительное расстояние от шпинделя. На инструмент, находящийся в магазине, возможно попадание стружки и пыли.

Устройства для смены инструмента в шпинделе станка состоят из магазинов-накопителей инструмента и устройств различных конструкций для автоматической его установки из магазина в шпиндель станка и обратно.

На небольших и средних многоцелевых станках применяются наиболее простые конструкции устройств АСИ, в которых смена инструмента осуществляется относительным перемещением магазина и шпинделя станка (рис. 2.24) [7]. Применение таких устройств исключает наличие сложного узла – манипулятора, работающего в сложном цикле, требующего многих блокировок и точных фиксаций.

Это повышает надежность работы (что особенно важно при работе по безлюдной технологии), но увеличивает время смены инструмента, так как время поиска требуемого инструмента в этом случае не может быть совмещено с временем работы станка.

Магазины устройств АСИ с манипулятором подразделяются на дисковые, барабанные и цепные. Дисковые магазины (рис. 2.24) применяются с горизонтальной, вертикальной и наклонной осями вращения. В магазинах с горизонтальной осью вращения инструменты устанавливают горизонтально (рис. 2.24). В магазинах с вертикальной осью вращения инструменты могут быть установлены вертикально, горизонтально или под углом (корончатые).

В магазинах с наклонной осью поворота инструменты устанавливают параллельно оси поворота или под углом (корончатые).

Барабанные магазины выполняются многоярусными (в виде этажерок) с вертикальной осью вращения с горизонтально установленными инструментами.

Цепные магазины выполняются вертикальными, горизонтальными или наклонными различной конфигурации (рис. 2.25) [4].

Рис. 2.24. Схема устройства смены инструмента путем относительного перемещения шпинделя: станок горизонтальный сверлильно-фрезерно-расточной с ЧПУ модели 630H ОАО «Стерлитамакский станкозавод»

Рис. 2.25. Пример цепного магазина (горизонтальный обрабатывающий центр Hyundai Kia KH 50G/63G)

Наибольшей вместимостью обладают барабанные и цепные магазины.

Магазины-накопители инструментов могут быть установлены на стойке (колонне) станка, сверху или сбоку, вне станка или на шпиндельной бабке. Расположение магазина на шпиндельной бабке (рис. 2.26) не требует дополнительных перемещений манипулятора, шпиндельной бабки или магазина для обеспечения необходимого взаимного положения магазина и шпинделя при смене инструмента, которая осуществляется при любом положении шпинделя. Однако в связи с большой массой магазина имеют место значительные потери времени на вспомогательные ходы шпиндельной бабки.

Рис. 2.26. Установка магазина на шпиндельной бабке станка

Масса магазина и инструментов будет оказывать влияние на точность обработки заготовок, так как силы инерции, возникающие в момент пуска и торможения магазина при поиске инструмента, воздействуют на систему СПИД станка и микрогеометрию обрабатываемой поверхности. Кроме того, степень заполнения магазина инструментами и его различная масса обусловливают различные нагрузки на бабку станка, что приводит к смещению оси шпинделя, а также влияет на стабильность позиционирования.

При установке магазина вне шпиндельной бабки (рис. 2.24) смена инструмента осуществляется при перемещении шпиндельной бабки по окончании очередного перехода в позиции смены инструмента, что увеличивает время между переходами, а также снижает точность обработки на величину повторяемой точности позиционирования шпиндельной бабки.

Инструментальные манипуляторы (рис. 2.27) [8], предназначенные для смены инструмента в шпинделе станка, по числу захватов подразделяются на одно-, двух- и многозахватные. Наиболее широкое применение получили двух-захватные манипуляторы.

Рис. 2.27. Конструктивная схема смены инструмента манипулятором: 1 – инструмент; 2 – манипулятор; 3 – магазин; 4 – шпиндель

Агрегатированные устройства АСИ.

С целью увеличения эффективности устройства АСИ, повышения их надежности и снижения стоимости используют устройства АСИ, выполненные в виде законченных унифицированных автономных узлов (модулей), которые не зависят от компоновки конкретного станка и могут поставляться как самостоятельные узлы к различным моделям станков с ЧПУ. Они могут устанавливаться на станине или колонне станка или на отдельном фундаменте. Применение таких устройств позволяет максимально унифицировать конструкции многоинструментальных станков с ЧПУ.

Установка магазинов агрегатированных автономных устройств АСИ вне станка на отдельном фундаменте обеспечивает большую вместимость магазина, удобство его обслуживания и исключает, благодаря отсутствию связи со станком, влияние переменного веса комплекта инструмента и вибрации при перемещении магазина для поиска инструмента во время работы станка, а также влияние температурного фактора на точность обработки. Значительное расстояние магазина от рабочей зоны станка обеспечивает предохранение инструментов от попадания стружки, эмульсии, чугунной пыли и т. д.

Комбинированные устройства АСИ. Такие устройства обеспечивают смену шпиндельного узла и инструмента в шпиндельном узле (рис. 2.28). В их состав входят: револьверная головка, поворот которой на 1800 обеспечивает смену всего шпиндельного узла; установленный на инструментальной бабке магазин с манипулятором, предназначенным для смены инструмента в одном из шпинделей револьверной головки во время обработки заготовки инструментом, установленным в другом шпинделе. Смена инструмента осуществляется в любом его положении относительно стола станка.

2.3.3. Устройство АСИ токарно-фрезерных обрабатывающих центров

Станкостроительными компаниями производится ряд многофункциональных токарно-фрезерных центров. Работа на таких станках требует меньше оснастки, меньше ручных настроек, меньше обслуживания благодаря высокой степени автоматизации и технологической оснащенности. Типичным примером является многофункциональный токарно-фрезерный центр пятого поколения Super NTX фирмы Nakamura (рис. 2.29).

Рис. 2.29. Токарно-фрезерный центр Nakamura-Tome

Концепция Super NTX воплощает формулу «три в одном»: функциональные возможности двух токарных и фрезерного станков, что позволяет, осуществляя одновременное 11-осевое управление, высокопроизводительно выполнять комплексную обработку деталей с одной установки (рис. 2.30).

Рис. 2.30. Устройство станка

Super NTX (рис. 2.32) отвечает современным требованиям к точности обработки: округлость обработанных деталей составляет 0, 4 мкм, а шероховатость Rа - 0, 1985 мкм. Точность обработки обеспечивается продуманной конструкцией и качеством изготовления станков. Это жесткая станина, широкие направляющие скольжения (отсутствие вибраций при нагруженных режимах резания), принудительное охлаждение шпиндельных бабок и станины через сеть каналов с охлажденным маслом (стабильность точности при длительной обработке), интегрированная конструкция шпинделя и электропривода (меньше излучение тепла, отсутствие люфтов в передачах).

Конструктивно шпиндели выполнены по типу «электрошпиндель» – т.е. ротор электродвигателя является единым целым с телом шпинделя. Управляемый поворот шпинделей с минимальным шагом 0, 001о в сочетании с эффективным тормозом позволяет выполнять обработку по оси С, а также высококачественную контурную фрезерную обработку.

Обработку деталей можно осуществлять одновременно в двух шпинделях либо раздельно – как на двух разных станках (например, для обработки двух разных деталей), либо вместе – в этом случае второй шпиндель используется в режиме дополнительной управляемой опоры (например, для обработки крупных деталей).

На каждой из двух головок может быть размещено 12 токарных и приводных инструментов (в том числе с внутренней подачей СОЖ), а при использовании спаренных правок – до 24 токарных инструментов (рис.2.31).

Рис.2.31. Револьверная головка

Левая револьверная головка работает со шпинделем, а правая – с противошпинделем. Кроме того, они могут использоваться в качестве экономичного устройства для загрузки заготовок и выгрузки готовых деталей, а также с их помощью можно выполнять запрессовку втулок (с усилием до 800 кг).

Для силового фрезерования и сверления используется инструментальный шпиндель с широкими возможностями перемещений и поворота относительно детали в шпинделе или противошпинделе. Функция контролируемого поворота шпинделя вокруг оси позволяет гибко использовать в нем не только фрезерный, но и токарный инструмент (в том числе с внутренней подачей СОЖ).

Рис.2.32. Super NTJX

В стандартном оснащении магазин рассчитан на 24 инструмента или на 40, 80 и 120 – в качестве опции. Магазин расположен на собственной станине, благодаря чему процесс смены инструментов, а также их вес не вызывают вибраций, не оказывают влияния на точность обработки и могут выполняться во время резания инструментами револьверной головки, не прекращая обработку ни на секунду (рис.2.33).

Рис. 2.33. Инструментальные магазины

Для автоматизированной непрерывной работы станка предусмотрена функция управления ресурсом режущего инструмента, позволяющая автоматически, не дожидаясь критического износа инструмента, заменять его дубликатом из другой позиции револьверной головки или инструментального магазина.

Функция контроля осевых нагрузок позволяет широко использовать ее возможности в работе со станком. Например:

• для контроля усилия прижима детали вращающимся центром;

• для автоматического задания глубины прохода при многопроходном сверлении в зависимости от величины нагрузки;

• для аварийного останова станка при чрезмерных усилиях во время обработки;

• для функции " воздушной подушки", позволяющей мгновенно (за 0, 008 с) отследить внезапный рост нагрузки и отвести рабочий орган назад, уберегая станок от поломки;

• для запрессовки втулок и т.д.

ПО Net-Monitor позволяет централизованно следить с персонального компьютера за работой нескольких удаленных станков. С его помощью можно дистанционно:

• просматривать подробную информацию о работе станка;

• легко определять состояние его работы (с помощью трех цветов: зеленый - " работа по программе", желтый - " операция завершена", красный - " авария");

• вводить и выводить УП для каждого из станков;

• отображать экраны систем ЧПУ подключенных станков и т.д.

Технологические возможности станков данного типа представлены в табл 1.

Таблица 1. Технические возможности

а) Точение в обоих направлениях инструментом инструментального шпинделя

б) Силовое точение, сверление или фрезерование крупной детали, зажатой в обоих шпинделях токарного станка

в) Одновременная 4-осевая токарная обработка одной детали и токарно-фрезерная обработка во втором шпинделе

г) Непрерывность процессов обработки за счет перехода к обработке инструментом одной из револьверных головок во время смены инструмента в инструментальном шпинделе. Если ведется обработка в противошпинделе, то она также не прерывается

д) Использование одной револьверной головки в качестве люнета во время обработки в шпинделе длинной детали инструментальным шпинделем и т.д.

Это далеко не все варианты комбинирования операций обработки, но главное – станки данного типа многофункциональны, гибки в работе и высокопроизводительны.