Манипулятор для смены заготовок и инструмента

Министерство образования  и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ  ГОСУДАРЧТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИИ И ДИЗАЙНА»

Институт: Информационных технологий и автоматизации

Специальность 150406.65 Машины и аппараты текстильной и лёгкой промышленности

Кафедра Машиноведения

 

ОТЧЕТ ПО ПРАКТИКЕ

На тему «Манипулятор для смены заготовок и инструмента»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Захаров А.В.

Группа 4-МД-4

Проверил: Панфилов С.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2013

Оглавление

1. Устройства для смены заготовок 2

2. Устройства автоматической смены инструмента 8

2.1. Устройства АСИ для станков токарной группы 9

2.2. Устройства АСИ для фрезерно-сверлильно-расточных (многоцелевых) станков 14

2.3. Устройство АСИ токарно-фрезерных обрабатывающих центров 19

 

 

 

1. Устройства для смены заготовок

Автоматизация вспомогательных операций смены заготовок и деталей  на станках с ЧПУ создает предпосылки  для внедрения трудосберегающей (безлюдной) технологии в механообрабатывающем производстве, а также повышает эффективность  за счет сокращения простоев станков  между отдельными рабочими циклами. Из-за многообразия компоновочных схем станков и способов их загрузки, а также типов изготавливаемых  деталей конструкции устройств  для автоматической смены заготовок  могут быть различными. В автоматизированных станочных системах, данные устройства, как правило, включают в состав гибкого  производственного модуля для соединения его с транспортными и накопительными устройствами. При этом выбор конструкции  загрузочного устройства к станку зависит  от принятой схемы транспортно-накопительной  системы. В то же время загрузочные  устройства целесообразно механически  отделить от станка для его виброизоляции. Конструктивная автономность устройств  автоматической смены заготовок  создает возможность их проектирования в виде достаточно универсальных  манипуляционных механизмов, имеющих  собственные приводы и средства электро-, гидро- или пневмоавтоматики.  
Автоматические загрузочные устройства для заготовок типа тел вращения, обрабатываемых на многоинструментальных токарных или шлифовальных станках с ЧПУ, могут быть выполнены в виде манипуляторов с поворотным или рычажным захватным механизмом. (табл. 16.1) 
 
 
 
Конструктивной особенностью приведенных в табл. 16.1 1а и 1б (рис. а) поворотного загрузочного устройства является обеспечение гипоциклоидной траектории движения заготовки за счет одновременного вращения захватного устройства вокруг своей оси и поворота головки со схватом относительно параллельной оси, смещенной на величину эксцентриситета e. В этом случае при достижении конечных положений (позиций 1, 2, 3) скорость перемещения заготовки автоматически снижается, что повышает обеспечение точности ее позиционирования. Кроме того, при гипоциклоидной траектории движения центра схвата исключается возможность столкновения заготовки с резцедержателем станка, зажимными и транспортными устройствами, а также уменьшается время общего цикла обслуживания станка. 
 
Для параллельного обслуживания двух рабочих позиций (например, в двухшпиндельном станке) загрузочное устройство выполняют двуруким не изменяющимся относительным положением рук на поворотном устройстве, определяемым углом φ между одноименными позициями 1 и 1’, 2 и 2’ и т.д. (рис. б) 
 
Поворотные загрузочные устройства можно монтировать на консоли, жестко закрепленной на каретке, которая перемещается над станком по направляющим траверсы (1а). Такая конструкция загрузочного устройства отличается компактностью и предназначена для обслуживания нескольких позиций, расположенных вдоль оси траверсы в рабочей зоне манипулятора. В других конструкциях загрузочных устройств их поворотная часть, несущая схваты, установлена неподвижно, например на корпусе магазина-накопителя заготовок, образуя единый магазинный загрузочный механизм (схема 1 б). Данный механизм для загрузки заготовок может передвигаться вдоль оси станка, освобождая рабочее пространство для обслуживания и наладки. 
 
 
 
Рычажные загрузочные устройства предназначены для манипулирования тяжелыми заготовками типа валов (массой до 50 кг и длинной до 3 м), а также для загрузки средних по размерам заготовок фланцевого типа. 
 
Рычажные устройства выдвижного типа выполнены в виде штока со схватом, совершающим возвратно-поступательное движение. Поворотные рычажные устройства представляют собой механическую руку с двумя или тремя степенями подвижности и захватным устройством. 
 
Для рычажных устройств характерно двурукое исполнение: два манипулятора, которые установлены на общей каретке, перемещаемой по направляющим траверсы, совершают возвратно-поступательные движения, всегда находясь в противоположных позициях (схема 2 б). При этом один манипулятор оперирует заготовками, а другой – деталями. Для одновременного манипулирования заготовкой и деталью манипулятор может быть двухзахватным с дополнительным поворотным движением головки относительно оси руки на угол 180˚ (схема 2 а). 
 
Загрузочные устройства для заготовок типа колец и дисков, которые базируются на транспортере или в магазине-накопителе по торцу, требуют исполнительных движений кантования перед установкой в патрон станка, а также после обработки для установки детали в приспособление-спутник транспортной системы. Дополнительная позиция, подготавливающая заготовку для загрузки ее в станок или для установки в приспособление-спутник, обслуживается специальным манипулятором-кантователем (схема 1 г). Цикл работы манипулятора-кантователя включает в себя следующие движения: захват заготовки в позиции 0, подъем и снятие ее с приспособления-спутника транспортно-накопительной системы, поворот в позицию 1 с одновременным кантованием на 90˚, разжим после установки в загрузочное устройство. После обработки загрузочное устройство передает деталь в позицию 1 для захвата манипулятором-кантователем, который вновь переносит ее с одновременным поворотом на 90˚ в начальную позицию 0 и устанавливает в приспособление-спутник. Использование кантователя необходимо также при обработке заготовок с двух сторон при переносе их с одной рабочей позиции в другую (схема 2 б). Захватное устройство кантователя выполняют сменным для возможности настройки на определенный типоразмер деталей. 
 
Автоматическая смена заготовок призматического типа, обрабатываемых на многооперационных станках с ЧПУ, может быть осуществлена двумя принципиально различными способами: с использованием многопозиционных рабочих столов станка, имеющих возвратно-поступательное или поворотное делительное движение, или автономных загрузочных устройств, установленных рядом со станком. 
 
При первом способе загрузки на столе станка устанавливают несколько приспособлений-спутников таким образом, чтобы во время обработки заготовки на рабочей позиции на других вспомогательных позициях были возможны снятие обработанной детали или установка очередных заготовок. 
 
В большинстве многооперационных станков используют различные схемы автоматической смены столов-спутников с автономными одно-, двух- или многоместными загрузочными устройствами (табл. 16.2). Применение сменных столов-спутников, на которых заготовки предварительно закрепляются, а затем переносятся в рабочую позицию либо переустанавливаются при многопозиционной обработке, контролируются и передаются на межстаночные транспортные средства, даст возможность автоматически сменять заготовки любой формы и обеспечивать их постоянное базирование в процессе обработки. 
Одноместные загрузочные устройства располагают вдоль продольной оси станка по обе стороны его стола (схема 1а). Цикл смены заготовки включает в себя прямолинейное перемещение стола станка к свободному загрузочному устройству для переустановки на него стола-спутника с обработанной деталью, а затем к другому загрузочному устройству, на котором находится стол-спутник с очередной заготовкой. Для сокращения времени смены заготовки можно использовать дополнительные подвижные каретки, которые при смене стола-спутника одновременно подводятся с двух сторон к зафиксированному в центральной позиции столу станка. Однако в этом случае конструкция загрузочного устройства усложняется. 
 
 
 
При Т-образной схеме перемещений столов-спутников (схема 1б) два одноместных загрузочных устройства установлены поперечно по обе стороны стола станка в его крайнем положении, что позволяет произвести смену заготовки при одном продольном перемещении стола в позицию загрузки, а для поперечных перемещений столов-спутников использовать общий привод. 
 
Г-образная схема перемещений столов-спутников (схема 1в) предполагает размещение двух одноместных загрузочных устройств под прямым углом друг к другу в одном из крайних положений стола. 
 
Широкое применение находит П-образная схема перемещений столов-спутников (схема 1г), расположенных на двух одноместных загрузочных устройствах, которые установлены перпендикулярно к оси стола станка, симметрично относительно его центра. 
 
Д вухместные загрузочные устройства в отличие от одноместных имеют две платформы с направляющими для установки на них столов-спутников. При этом платформы имеют собственный общий привод, обеспечивающий либо маятниковый цикл движений вдоль продольной оси станка (схема 2 а), либо поворотное движение на угол 180˚ относительно вертикальной оси (схема 2 б). 
 
Конструктивная схема двухместного устройства для многооперационных станков с горизонтальным шпинделем показана на рис. 16.1? Особенностью данной конструкции является использование перемещений стойки станка вдоль оси шпинделя для перестановки столов-спутников с загрузочной платформы на стол станка и обратно. Из-за отсутствия специальных приводов для перемещения столов-спутников конструкция загрузочного устройства при такой схеме упрощается. На неподвижном основании 1 имеются горизонтальные направляющие 2, по которым могут перемещаться салазки 3 с платформами 11 и 12, а на каждой из платформ – поперечные направляющие для столов-спутников 10 и 13. Захватное устройство 5, выполненное в виде оправки с Г-образным пальцем на его конце, устанавливается в одном из гнёзд инструментального магазина 8. При команде на смену заготовки стол 4 станка перемещается в позицию разгрузки, в которой его транспортные направляющие совмещаются с поперечными направляющими свободной платформы 11. Захватное устройство 5 механизмом 7 автоматической смены инструментов устанавливается в шпиндель 6. Шпиндель опускается вниз до уровня стола-спутника 10 и поворачивается в одну из фиксированных угловых позиций, в которой Г-образный палец входит в паз специального замка 15 на столе-спутнике, захватывая его. После этого стол-спутник разжимается и при перемещении стойки 9 вперёд устанавливается на платформу 11. Затем салазки 3 гидроцилиндром 14 передвигаются в позицию загрузки, в которой направляющие стола 4 и платформы 12 совмещаются, а палец схвата входит в паз замка на столе-спутнике 13. При перемещении стойки 9 назад стол-спутник 13 с заготовкой переставляется на стол станка. По окончании смены заготовки оправка поворачивается в исходное угловое положение, освобождая спутник, а затем переносится в инструментальный магазин. 
 
Для обеспечения длительной работы станка без вмешательства оператора применяют многоместные загрузочные устройства.  
 
 
 
Схема 3а соответствует загрузке станка заготовками, установленными на столах спутниках, с платформ, которые расположены вдоль продольной оси станка с двух противоположных сторон. Многоместное загрузочное устройство, показанное на схеме 3б, обеспечивает параллельное перемещение столов-спутников, перпендикулярно оси стола станка. Многоместные загрузочные устройства можно строить по типу карусельных транспортирующего механизма с поперечным движением стола-спутника в перегрузочной позиции (сема 3в)  
 
В связи со сложностью обеспечения стабильной точности при автоматической установке заготовок на разных столах-спутниках применяют дополнительные устройства для контроля действительного положения стола-спутника при установке его на станок с автоматическим вводом коррекции в управляющую программу. 
 
 
установлен в хвостовой части вала 6 магазина (рис. 16.7в) или механически связан с его приводом. Ключи, выполненные в виде пластин, с различными комбинациями проточек или соответствующие каждой позиции магазина комбинациям выступов кулачков на барабане, воздействуют на контактные или бесконтактные микропереключатели считывающего устройства 3. Кодирование гнезд магазина получило широкое применение в станках с ЧПУ главным образом из-за сокращения времени поиска инструмента в связи с возможностью выбора кратчайшего пути для вращения инструментального магазина. Однако цикл работы механизма автономной смены инструментов и устройство его управления в этом случае усложняются. 
 
Перспективными являются способы кодирования и поиска инструментов с использованием фотоэлектрических, электромагнитных и других физических эффектов, позволяющие достичь наибольшей компактности конструкции устройства.  

2. Устройства автоматической смены  инструмента

Одним из существенных узлов, определяющих технологические возможности станка с ЧПУ, являются устройства автоматической смены инструмента (АСИ). Использование  устройств АСИ является одним  из основных средств сокращения времени  простоев станков с ЧПУ.

 

2.1. Устройства АСИ для станков токарной группы

Одним из существенных узлов, определяющих технологические возможности станка с ЧПУ, являются устройства автоматической смены инструмента (АСИ). Использование  устройств АСИ является одним  из основных средств сокращения времени  простоев станков с 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, к 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).

 
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.

 

2.2. 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.