16.1.5 Шпиндельные группы станков с чпу
Шпиндельные группы станков с ЧПУ и обычных станков существенно различаются. Главное различие – в степени автоматизации выполнения основных и вспомогательных функций. В станках с ЧПУ автоматически, в соответствии с числовой программой, устанавливается заданная частота вращения шпинделя, изменения этой частоты на различных участках обработки, останов шпинделя в определённом ориентированном положении для смены инструментов, зажим и разжим режущих инструментов. При этом шпиндельная группа должна обеспечивать жёсткость шпинделя и точность его вращения.
В состав шпиндельной группы входят двигатель, коробка скоростей или переключений, шпиндельный узел.
Двигатель может быть нерегулируемый и регулируемый. В качестве нерегулируемого используется обычно асинхронный электродвигатель. Он прост и надёжен, не требует преобразователей, имеет хорошие динамические характеристики. Однако для регулирования частот вращения шпинделя требуется применение сложных коробок скоростей.
В качестве регулируемых приводов используются:
- электроприводы с двигателями постоянного тока двухзонного бесступенчатого регулирования в сочетании с несложными коробками скоростей (см. рис. 2.12,а и 3.9, а также п/п. 3.9.7);
- электроприводы с частотным регулированием, использующие асинхронные электродвигатели;
- гидроприводы с машинным (объёмным) регулированием.
Выбор типа передачи на шпиндель зависит в первую очередь от частоты его вращения и от величины передаваемой силы. Зубчатые передачи применяют на станках нормальной точности с частотами вращения шпинделей до 3000 об/мин. В остальных случаях применяют ременные передачи.
В станках с весьма высокими частотами вращения шпинделя находят применение ротор-шпиндели, т.е. шпиндели, встроенные в электродвигатель с частотным регулированием (т.н. электрошпиндели).
В конструкции шпинделей для инструментов станков с ЧПУ вводятся устройства для автоматического или полуавтоматического зажима режущего инструмента. Одна из конструкций такого шпинделя показана на рис. 16.9. Автоматический зажим инструмента в ней осуществляется при перемещении влево стержня 3 под действием тарельчатых пружин 8. При этом муфта 28 с шариками 26 движется влево и под действием профиля отверстия стакана 27 шарики смещаются к оси шпинделя, захватывают хвостовик 24 оправки 23 инструмента и затягивают её в шпиндель. Разжим инструмента происходит при смещении стержня 3 вправо от гидроцилиндра 1.
16.1.6 Накопители инструментов и обрабатываемых заготовок
16.1.6.1 ОЦ имеют накопители инструментов и устройства для автоматической смены последних.
Системы для хранения и смены инструментов на ОЦ в зависимости от исполнения накопителей можно разбить на следующие три основные группы (рис. 16.10):
а) накопителем служит револьверная инструментальная головка, в гнёздах которой располагаются инструменты; один из них находится в рабочем положении и приводится в движение, остальные шпиндели неподвижны. Число инструментов в револьверной головке невелико (8, 10, 12), однако смена инструмента при работе станка занимает мало времени (до нескольких /1-2/ секунд).
Головки могут быть лучевыми (радиальными), барабанными (аксиальными), коническими (с расположением инструментов под углом).
Револьверные головки обычно используются в ОЦ, построенных на базе токарных и сверлильных станков. Для расширения технологических возможностей ОЦ токарного типа их нередко снабжают несколькими револьверными головками с независимыми приводами;
б) накопителем служит магазин (инструментальный магазин) или несколько магазинов, из которых берётся инструмент и ставится в рабочий шпиндель станка. Смена инструментов в этом случае усложняется и увеличивается время процесса (до 16-20 секунд), но ёмкость магазинов больше, чем головок – 30-80, иногда 100, 120 и более инструментов (до 180). Чаще используют накопители поворотные барабанного типа и цепные. Смена инструментов может осуществляться манипулятором, который захватывает инструмент из накопителя и передает его по назначению. В ряде конструкций ОЦ смена инструмента производится без манипулятора за счёт перемещения магазина или при неподвижном магазине за счёт перемещения стойки и шпинделя. Такие решения упрощают конструкцию устройства и позволяют сократить вспомогательное время.
Реже встречаются стеллажные магазины, устанавливаемые на столе станка и представляющие собой плиту с несколькими параллельными рядами гнезд под инструменты;
в) накопителями служат револьверная головка и магазин (комбинированные накопители). На нижней части рис. 16.10 показан возможный вариант такого накопителя, включающего магазин и двухпозиционную револьверную головку. В этом случае при работе очередного инструмента, находящегося в рабочем шпинделе револьверной головки, производится автоматическая установка следующего по программе инструмента из магазина во второй шпиндель головки. Поворот головки для смены инструмента происходит практически за доли секунды.
16.1.6.2 Инструментальные магазины могут размещаться на шпиндельной бабке, на станине, на отдельной стойке, на столе станка (рис. 16.11). Во всех показанных вариантах (кроме позиции рис. 16.11,и) инструмент транспортируется и загружается с помощью манипуляторов (в ряде изданий даётся название "автооператор"). Захват инструмента осуществляется рукой манипулятора, которая может иметь один, два и более схватов. Наиболее распространены манипуляторы с двухзахватными руками (рис. 16.12). Совокупность устройств для хранения, поиска и смены инструмента на ОЦ называют устройствами автоматической смены инструмента (АСИ). Некоторые компоновочные схемы станков с ЧПУ и АСИ даны на рис. 16.13; 16.14 и 16.15.
16.1.6.3 Перед тем, как сменить закрепленный на шпинделе и закончивший работу инструмент на очередной по технологическому процессу, необходимо разыскать последний и доставить в положение, из которого произойдет его захват и перемещение к шпинделю. Для этого необходимо, чтобы были закодированы либо инструменты, либо позиции накопителя, в которых размещены инструменты.
В первом случае каждый инструмент должен быть снабжен кодовыми конструктивными признаками (выемками, кулачками, наборами колец и т.п.), которые позволили бы, перемещая накопитель и последовательно подводя один инструмент за другим в положение, необходимое для смены инструмента, уловить тот момент, когда код, считанный соответствующей аппаратурой, совпадет с запрограммированным. Аппаратура, считывающая код с инструмента, в каком бы гнезде накопителя он ни находился, всегда в нужный момент обеспечит остановку накопителя в требуемом положении.
Во втором случае кодируются все позиции накопителя (механическими кодовыми признаками, а чаще – с помощью электрических датчиков и электронных схем), инструменты же не имеют кодовых признаков, поэтому считывающая аппаратура будет останавливать накопитель в тот момент, когда код соответствующего гнезда совпадет с запрограммированным кодом. Находящийся в этом гнезде инструмент займет положение, из которого будет подан в шпиндель. Поэтому необходимо, чтобы каждый инструмент был уложен в своё гнездо накопителя.
Если ОЦ имеет несколько шпинделей, то каждый обслуживается отдельным инструментальным магазином.
В случае использования на ОЦ сменных многошпиндельных головок станок оснащается магазином головок.
16.1.6.4 ОЦ могут также иметь устройства для автоматической смены обрабатываемых деталей (АСОД).
ОЦ, имеющие системы автоматической смены деталей, представляют собой т.н. станочные модули. Для работы по принципу "безлюдной технологии" ОЦ с АСОД оснащаются накопителями палет (универсальных спутников) с деталями. Ряд фирм выпускают ОЦ с двумя и более (до 4) магазинами для инструмента, с возможностью смены магазина в автоматическом режиме, и накопителями палет с деталями на три-восемь позиций. При наличии систем адаптивного самоконтроля и контроля управления точностью обработки такие станки могут обеспечить работу без участия человека в течение двух смен и более.