3.9.4. Многооперационные станки с чпу

В последнее время выпускают металлорежущие станки с автоматической сменой инструментов с программным управлением – так называемые многооперационные станки (обрабатывающие центры). Они предназначены для обработки корпусных деталей с отверстиями, а также деталей типа рычагов, плит, кронштейнов и т.п.

Фрезерно-сверлильно-расточные станки с автоматической сменой инструментов изготовляются как с небольшим числом инструментов, помещенных в гнездах револьверных головок, так и с очень большим числом инструментов (свыше 100), находящихся в специальных магазинах различной конструкции. Появились станки токарной группы («Торнинг-центры»), у которых вместо обычных револьверных головок применяются магазины с большим числом инструментов.

Предпосылками появления станков с автоматической сменой инструментов послужили общее повышение требований к мобильности, перенала-живаемости производственного оборудования в машиностроении и настоятельная необходимость автоматизации мелкосерийного производства.

Рассмотрим конструктивные особенности многооперационных станков. Это в основном одношпиндельные станки или станки с револьверными головками, шпиндели которых работают поочередно. Шпиндель может реверсироваться и автоматически фиксироваться в определенном угловом положении. Реверс используется при резьбонарезании метчиками, а угловая фиксация – при некоторых расточных операциях и при автоматической смене инструментов.

Автоматическая смена инструментов осуществляется посредством индексирования револьверной шпиндельной головки или автоматической разгрузки и загрузки шпинделя оправками с инструментами из магазина с помощью автооператоров.

Станки оборудуются приводами, допускающими автоматическое изменение режимов обработки при смене инструментов. Для обработки деталей с разных сторон станки снабжают прецизионными поворотными столами, индексирующимися через угол 90° или способными поворачиваться на разные углы, заданные программным управлением. Для совмещения времени установки новых заготовок с основным временем работы станки оснащают дополнительными устройствами, в результате чего время смены заготовок снижается до нескольких секунд. Механизмы подачи узлов станка имеют привод с безлюфтовыми зубчатыми передачами и шариковыми ходовыми винтами, чаще всего – от гидродвигателей.

Станки оборудуют позиционными или контурными системами программного управления перемещениями узлов станка, сменой инструментов и заготовок, поворотами стола с обрабатываемой деталью, автоматическим изменением частоты вращения шпинделя и скоростью подачи.

Схемы построения фрезерно-сверлильно-расточных станков разнообразны. Многооперационные станки выполняют с компоновками типа вертикально-сверлильных, горизонтально- и вертикально-фрезерных консольных и бесконсольных, координатно-расточных, продольно-фрезерных и портальных станков.

На рис.71 представлена компоновка бесконсольного вертикально-фрезерного станка с револьверной головкой 1, которая установлена на шпиндельной бабке 4, перемещающейся по стойке 2 в направлении оси Z. Стол 3 с обрабатываемой деталью совершает движение подачи по направлениям X и Y. Наиболее разнообразны компоновки станков с револьверными шпиндельными головками, поскольку в них проще менять инструменты.

Наблюдается также разнообразие устройств автоматической смены инструментов и заготовок. Эти устройства оказывают существенное влияние на развитие компоновок станков, выдвигая ряд требований. Например, для обеспечения рациональной автоматической смены инструментов желательно, чтобы в компоновках выполнялись следующие условия: минимум координатных перемещений при смене инструментов, сохранение постоянства координат оси шпинделя при смене инструментов, расположение неработающих инструментов вне рабочей зоны станка и др.

Рис.71. Компоновка вертикально-фрезерного станка с револьверной головкой

На рис.72 представлена схема компоновки горизонтально-расточного станка с подвижной колонной 1. Инструменты, расположенные в магазине 2, по мере необходимости подводятся к шпинделю 3 станка и специальными устройствами устанавливаются и закрепляются в нем. Перед этим отработавший инструмент автоматически переводится из шпинделя 3 в свободное гнездо магазина 2.

Рис.72. Компоновка горизонтально-расточного станка

Решающее влияние на компоновку станка в ряде случаев может оказать способ смены заготовки, например применение двух поворотных столов или сменных поворотных столов. Индексация поворотных столов выполняется прецизионной, чтобы обеспечить соосность отверстий, растачиваемых с двух противоположных сторон обрабатываемой детали, а также перпендикулярность и параллельность обработанных плоскостей. Обычно индексирующиеся поворотные столы имеют четыре или восемь позиций, но иногда это число достигает 72. На рис.73 представлены способы кантования и смены обрабатываемых деталей на многооперационных станках. На рис.73, а обрабатываемая деталь устанавливается на поворотную плиту или приспособление 1 и подается на станок. На станке имеется устройство 2, принимающее плиту или приспособление. Устройство подводит деталь с плитой в рабочую зону к шпинделю 3 станка. Разгрузка и загрузка происходит в то время, когда приспособление 1 находится на автооператоре 4. На рис.73, б показана схема кантования детали с двумя сдвигающимися рабочими столами. Стол 5, находящийся на поворотных салазках 6, после завершения обработки детали с четырех сторон автоматически сдвигается на направляющие второй установочной позиции 7 для разгрузки-загрузки, а на его место из позиции 8 поступает второй стол с новой заготовкой.

На рис.73, в показаны два поворотных стола 5, смонтированных на неподвижном основании 9. Все координатные перемещения совершает шпиндель 3. В позиции 10 деталь обрабатывается, в позиции 11 происходит разгрузка-загрузка. Процесс смены и кантования обрабатываемых деталей на этих станках сокращен до минимума благодаря автоматизации и управлению по сигналу от системы программного управления.

На рис.74, а приведена схема многооперационного станка со сдвоенными поворотными столами 1, загружаемыми поочередно. Инструменты из магазина 2 подаются в зону резания и специальными устройствами устанавливаются в шпинделе 3 станка. На рис.74, б показана схема многооперационного станка с двумя сдвигающимися столами 1.

Рис.73. Способы кантования и смены обрабатываемых деталей

Рис.74. Схемы многооперационных станков

На рис.75, а показаны способы автоматической замены инструмента с автооператором, расположенным между магазином и шпинделем. Автооператор имеет два захвата – для отработавшего и для нового инструментов. Автоматическая смена инструмента совершается в определенной последовательности. Во время работы станка магазин 1 индексируется в положение, в котором последующий инструмент поступает в позицию разгрузки-загрузки. По окончании работы предыдущего инструмента шпиндель 2 возвращается в положение разгрузки-загрузки. Автооператор 3 поворачивается из своего исходного положения и одновременно захватывает предыдущий и последующий инструменты. Механизм зажима освобождает оправку шпинделя. Автооператор перемещается в осевом направлении, извлекая предыдущий инструмент из шпинделя, а последующий – из магазина, затем поворачивается на 180°, меняя местами предыдущий и последующий инструменты, и перемещается в осевом направлении, посылая последующий инструмент в шпиндель, а предыдущий – в гнездо магазина. Механизм зажима закрепляет новую оправку в шпинделе. Автооператор, поворачиваясь, приходит в исходное положение. Весь цикл смены инструмента занимает пять-шесть секунд.

Рис.75. Схемы автоматической смены инструмента

Оправки с инструментами от магазина 1, расположенного вне бабки (рис.75, б), к шпинделю 2 и обратно переносятся автооператорами 3. Увеличение числа передающих механизмов и их усложнение не приводят к увеличению времени на смену инструментов, так как она совершается во время работы станка. Для дальнейшего сокращения времени смены инструмента применяют шпиндельные головки с двумя шпинделями – рабочим и предзагрузочным (рис.75, в, г). Пока один шпиндель находится в работе, другой разгружается от отработавшего инструмента и загружается новым с помощью автооператора, скорость работы которого в этом случае может быть небольшой. По окончании работы инструмента шпиндельная головка поворачивается на 180° индексирующим механизмом и вводит в действие второй шпиндель с новым инструментом. Смена инструмента может совершаться в течение одной-двух секунд.

В многооперационных станках число используемых в работе инструментов достигает нескольких десятков. В связи с этим решается задача такого кодирования инструмента в магазине, которое допускало бы автоматическое распознавание номеров и выбор каждого последующего инструмента по сигналам программного управления. Если, применяя магазин инструментов, их располагают по порядку использования, то кодирования не требуется. При обмене инструментами между шпинделем и гнездом магазина порядковая нумерация не нарушается, однако инструменты в магазине постепенно смещаются на один шаг. Повторное использование инструментов возможно путем их ручной перестановки в свободные гнезда, что усложняет обслуживание и увеличивает возможность ошибок при перестановке инструментов. Поэтому располагать инструменты в магазине в порядке их очередности можно только для операции, где общее число их невелико.

Кодирование инструментов позволяет избежать этих ограничений. Автоматический поиск инструмента допускает любое расположение инструментов в магазине независимо от их очередности. Существует несколько способов кодирования инструментов: кодирование места под инструмент, применение специальных ключей, несущих код инструмента, и непосредственное кодирование оправок с инструментами. Рассмотрим сущность последнего способа. В этом случае между конусным хвостовиком оправки и инструментом помещают кодовые кольца. Кодирование оправок заключается в определенном расположении колец, отличающихся диаметрами. Закодированная оправка с инструментом помещается в гнездо магазина и при его повороте воздействует кольцами на конечные выключатели, число которых должно быть равно общему числу колец. Релейная схема определяет совпадение заданного кода с сочетаниями включенных и невыключенных конечных выключателей и, таким образом, выбирает нужный инструмент.

Метод непосредственного кодирования оправок с инструментами имеет следующие достоинства: допускается любая последовательность загрузки магазина инструментами; нет необходимости в поиске соответствующего места для предыдущего инструмента при возврате его в магазин.

Многооперационные станки позволяют эффективно осуществлять программу большого объема. Если на отдельных простых операциях фрезерования, сверления, резьбонарезания и т.д. возможности станков с программным управлением не используются и применение их часто является нерациональным, то интеграция простых операций в одну общую совокупную программу обработки делает применение таких станков целесообразным и экономически эффективным. Возможность быстрой переналадки станка на новую деталь особенно ценна в условиях мелкосерийного производства.