многошпиндельный станок с устройством для автоматической смены инструмента и способ смены инструмента на этом станке

Формула изобретения

1. Многошпиндельный станок с устройством для автоматической смены инструмента, содержащий основание, жестко закрепленную на нем стойку, на вертикальных направляющих которой с возможностью независимых друг от друга перемещений установлены две шпиндельные бабки с взаимно параллельными горизонтальными шпинделями, каждая из которых выполнена с возможностью дополнительного горизонтального перемещения параллельно оси шпинделя, магазин с гнездами под инструмент и стол для обрабатываемых деталей, установленный перед стойкой с возможностью горизонтального перемещения перпендикулярно направлению горизонтального перемещения шпиндельных бабок, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен магазином с гнездами под инструмент и двумя механизмами для смены инструмента, каждый из которых имеет поворотную механическую руку с захватами под инструмент, при этом магазины установлены на отдельных фундаментах по обе стороны от стойки с возможностью независимых друг от друга перемещений параллельно ее вертикальным направляющим, а механизмы для смены инструмента установлены с возможностью независимых друг от друга перемещений между магазинами и шпиндельными бабками.

2. Способ смены инструмента на многошпиндельном станке с устройством автоматической смены инструмента, включающий периодическую смену инструмента в шпинделях посредством двух механических рук с захватами под инструмент из двух магазинов и периодическую смену инструмента в этих магазинах, отличающийся тем, что смену инструмента в шпинделях осуществляют поочередно из обоих магазинов поочередным вводом в действие обеих механических рук, а смену инструмента в каждом из магазинов осуществляют параллельно со сменой инструмента в одном из шпинделей и обработкой детали другим шпинделем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к станкостроению, в частности к многошпиндельным станкам с числовым программным управлением и автоматической сменой инструмента.

Известен многошпиндельный станок с устройством для автоматической смены инструмента, содержащий основание, на горизонтальных направляющих которого подвижно установлена шпиндельная бабка с взаимно параллельными горизонтальными шпинделями, и магазин с гнездами под инструмент, установленный на основании с возможностью перемещения из позиции загрузки в позицию смены инструмента в шпинделях бабки [1, 2].

В процессе смены инструмента известный станок простаивает, что увеличивает вспомогательное время и снижает его производительность. Кроме того, в известном станке ограничена емкость магазина, что сужает его технологические возможности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является многошпиндельный станок с устройством для автоматической смены инструмента, содержащий основание, жестко закрепленную на нем стойку, на вертикальных направляющих которой с возможностью независимых друг от друга перемещений установлены две шпиндельные бабки с взаимно параллельными горизонтальными шпинделями, каждая из которых выполнена с возможностью дополнительного горизонтального перемещения параллельно оси шпинделя, стол для обрабатываемых деталей, установленный перед стойкой с возможностью горизонтального перемещения перпендикулярно направлению горизонтального перемещения шпиндельных бабок, и общий для обеих бабок магазин с гнездами под инструмент, закрепленный в верхней части стойки непосредственно над зоной обработки детали с возможностью перемещения гнезд под инструмент перпендикулярно вертикальным направляющим стойки и их фиксации в позиции смены инструмента для каждой бабки соосно ее шпинделю [4 - прототип].

Наличие в известном станке только одного магазина для смены инструмента в обеих шпиндельных бабках исключает возможность смены инструмента в магазине и смены самого магазина без остановки станка, что увеличивает вспомогательное время и снижает его производительность. Размещение магазина в верхней части стойки непосредственно над зоной обработки детали затрудняет смену инструмента в магазине, дополнительно увеличивая вспомогательное время, и приводит к попаданию стружки и СОЖ на посадочные поверхности гнезд и инструментов, находящихся в магазине, что снижает точность обработки. Снабжение магазина защитным кожухом с крышкой, открывающейся вниз в процессе смены инструмента в одной из шпиндельных бабок, усложняет конструкцию известного станка и не исключает попадание стружки и СОЖ на инструменты через открытую крышку при обработке детали другой шпиндельной бабкой.

Установка магазина на стойке с возможностью поворота с целью обеспечения удобной ручной загрузки его инструментом и снабжение станка дополнительными приводами для поворота магазина и открывания крышки кожуха также усложняет конструкцию известного станка и ограничивает габариты магазина по длине расстоянием между осью его поворота и столом, что уменьшает емкость магазина, сужая тем самым технологические возможности известного станка и дополнительно увеличивая вспомогательное время за счет необходимости более частой ручной смены инструмента в магазине. Для смены инструмента в магазине известного станка необходимо остановить станок, снять обрабатываемую деталь со стола, извлечь инструменты из шпинделей бабок, обе бабки переместить в крайнее заднее положение, открыть крышку кожуха магазина, повернуть магазин в вертикальное положение и лишь после выполнения этих дополнительных операций возможно осуществить смену инструмента в гнездах магазина, поочередно перемещая их в крайнее нижнее положение. После этого необходимо повернуть магазин в горизонтальное положение, установить новые инструменты в шпиндели бабок, закрыть крышку кожуха, установить обрабатываемую деталь на стол и включить станок.

Необходимость выполнения вышеперечисленных дополнительных операций в процессе смены инструмента в магазине известного станка увеличивает вспомогательное время и снижает его производительность. Причем все эти дополнительные операции необходимо выполнять как при смене одного изношенного или сломанного инструмента, так и при полной замене всех инструментов в магазине, например, при переходе на обработку деталей другого типоразмера. Такое выполнение магазина в известном станке (предусматривающее ручную смену инструмента) ограничивает возможность использования известного станка в составе автоматических линий и гибких производственных систем, предусматривающих безлюдную технологию обработки деталей, так как остановка известного станка с целью ручной смены инструмента в магазине приведет к остановке всей линии. Установка магазина в верхней части стойки с возможностью перемещения перпендикулярно ее вертикальным направляющим, на которых установлены шпиндельные бабки, приводит к передаче вибраций, возникающих при работе магазина в процессе смены инструмента в шпинделе одной из бабок, на шпиндель другой бабки в процессе обработки детали, что влияет на точность обработки. При одновременной обработке двух деталей, закрепленных на одном столе, обеими шпиндельными бабками при замене инструмента из одного и того же магазина в шпинделе одной из бабок другая шпиндельная бабка, окончив цикл обработки детали одним инструментом, может простаивать до тех пор, пока не окончится цикл смены инструмента в другой бабке, что также увеличивает вспомогательное время и снижает производительность.

Известен способ смены инструмента на многошпиндельном станке, при котором магазин с гнездами под инструмент, расположенный в процессе обработки детали вне рабочей зоны многошпиндельной головки, перемещают поперек осей ее шпинделей и фиксируют над ней, затем головку перемещают в вертикальном направлении до совмещения ее шпинделей со свободными гнездами магазина и в горизонтальном направлении к магазину для передачи использованного инструмента в магазин, после чего головку отводят от магазина, магазин перемещают до совмещения установленного в нем нового инструмента со шпинделями головки, а головку перемещают к магазину для приемки нового инструмента, затем головку отводят от магазина, магазин перемещают в позицию загрузки вне рабочей зоны головки, а головку с новым инструментом - в позицию обработки [6].

В процессе выполнения вышеперечисленных операций станок простаивает, что увеличивает вспомогательное время и снижает производительность. Кроме того, размещение магазина в позиции загрузки в верхней части станка затрудняет смену инструмента в магазине, дополнительно увеличивая вспомогательное время и снижая производительность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ смены инструмента на многошпиндельном станке, включающий периодическую смену инструмента в шпинделях посредством двух механических рук с захватами под инструмент из двух магазинов с гнездами под инструмент и периодическую смену инструмента в этих магазинах [7 - прототип].

Известный способ реализуется в следующей последовательности. Для смены использованного инструмента, находящегося в соответствующих шпинделях, на первом этапе обе механические руки одновременно перемещаются к шпинделям, захватывают использованные инструменты и одновременно удаляют их из шпинделей. На втором этапе обе механические руки одновременно перемещаются к соответствующим магазинам и одновременно возвращают использованные инструменты в свободные гнезда магазинов. На третьем этапе производится одновременное перемещение обоих магазинов с целью установки в позицию смены тех инструментов, которые должны быть установлены в шпиндели. На четвертом этапе обе механические руки одновременно захватывают новые инструменты и удаляют их из соответствующих гнезд обоих магазинов. На пятом этапе обе механические руки одновременно перемещаются к соответствующим шпинделям и одновременно устанавливают в них новые инструменты.

В процессе поэтапного выполнения вышеперечисленных операций станок простаивает, что увеличивает вспомогательное время и снижает производительность. Размещение позиции смены инструмента в магазинах в верхней части станка рядом со шпиндельной бабкой затрудняет смену инструмента в магазинах и исключает ее возможность в процессе обработки детали, что дополнительно увеличивает вспомогательное время и снижает производительность.

Задача, на решение которой направлены заявляемые изобретения, это устранение недостатков, присущих прототипам [4, 7], а именно обеспечение безостановочной работы станка в процессе смены инструмента при одновременном уменьшении влияния вибраций и динамических нагрузок, возникающих при этой смене, на рабочие органы станка в процессе обработки детали.

Указанная задача решается тем, что многошпиндельный станок с устройством для автоматической смены инструмента, содержащий основание, жестко закрепленную на нем стойку, на вертикальных направляющих которой с возможностью независимых друг от друга перемещений установлены две шпиндельные бабки с взаимно параллельными горизонтальными шпинделями, каждая из которых выполнена с возможностью дополнительного горизонтального перемещения параллельно оси шпинделя, магазин с гнездами под инструмент и стол для обрабатываемых деталей, установленный перед стойкой с возможностью горизонтального перемещения перпендикулярно направлению горизонтального перемещения шпиндельных бабок, согласно изобретению снабжен двумя магазинами, установленными на отдельных фундаментах вне рабочей зоны станка по обе стороны от стойки с возможностью независимых друг от друга перемещений параллельно ее вертикальным направляющим, и двумя механизмами для смены инструмента, оснащенными поворотными механическими руками с захватами под инструмент и установленными с возможностью независимых друг от друга перемещений между магазинами и шпиндельными бабками.

Указанная задача решается также тем, что при осуществлении способа смены инструмента на многошпиндельном станке, включающем периодическую смену инструмента в шпинделях посредством двух механических рук с захватами под инструмент из двух магазинов и периодическую смену инструмента в этих магазинах, согласно изобретению смену инструмента в шпинделях осуществляют поочередно из обоих магазинов поочередным вводом в действие обоих механических рук, а смену инструмента в каждом из магазинов осуществляют параллельно со сменой инструмента в одном из шпинделей и обработкой детали другим шпинделем.

Благодаря наличию в предложенном станке вышеперечисленных признаков при обработке детали поочередным вводом в действие обеих шпиндельных бабок смена инструмента в этих бабках осуществляется поочередно из обоих магазинов поочередным вводом в действие обоих механизмов для смены инструмента, причем пока один из этих механизмов осуществляет смену использованного инструмента в одной из бабок, другой осуществляет обмен инструмента с магазином и последующую доставку в позицию смены нового инструмента. При этом оба механизма для смены инструмента, осуществляя возвратно-поступательные перемещения между одним из магазинов и бабками, попеременно занимают позицию для смены инструмента в этих бабках, что исключает простаивание бабок в процессе смены инструмента при обработке деталей с короткими циклами обработки от смены до смены и обеспечивает возможность плавного перемещения механизмов для смены инструмента без резких бросков и ускорений, уменьшая уровень вибраций.

Благодаря наличию в предложенном станке с двумя независимоподвижными бабками двух магазинов, установленных вне рабочей зоны станка, и двух механизмов для смены инструмента, установленных с возможностью поочередного взаимодействия с магазинами и бабками, смена инструмента в одном из магазинов (или смена одного из магазинов) может быть выполнена одновременно со сменой инструмента в шпинделе одной из бабок и обработкой детали другой бабкой. Возможность параллельного выполнения вышеперечисленных операций сокращает вспомогательное время и повышает производительность. Причем благодаря вертикальной компоновке магазинов гнездо с инструментом, подлежащим замене, перемещается в позицию смены, расположенную в нижней части магазина, что обеспечивает удобство смены инструмента как в ручном, так и в автоматическом режиме с помощью известных в технике средств [9]. При этом вибрации, возникающие при работе магазинов в результате инерционности и неуравновешенности их подвижных частей, а также динамические нагрузки, возникающие при смене инструментов в этих магазинах в процессе обработки детали, передаются непосредственно на фундамент, минуя вертикальные направляющие стойки и установленные на них шпиндельные бабки. Следовательно, такое изменение расположения магазинов в предложенном станке с двумя независимо подвижными шпиндельными бабками, характеризующимися совмещением процесса обработки детали с процессом смены инструмента в одной из этих бабок, в одном из магазинов (или одного из этих магазинов), обеспечивает предложенному станку новое положительное свойство - повышение точности обработки за счет уменьшения влияния вибраций и динамических нагрузок, вызванных этой сменой, на рабочие органы станка в процессе обработки детали. Кроме того, такое расположение магазинов исключает попадание стружки и СОЖ на посадочные поверхности гнезд и инструментов, находящихся в этих магазинах, что также повышает точность обработки. Другим преимуществом предложенного станка является то, что при выходе из строя одного из магазинов или одного из механизмов для смены инструмента станок остается работоспособным.

Проведенный анализ признаков заявляемых решений позволяет утверждать, что их использование обеспечивает новый технический результат, заключающийся:

- в повышении производительности за счет сокращения вспомогательного времени, затрачиваемого на смену инструмента;

- в повышении точности обработки за счет уменьшения влияния вибраций, вызванных этой сменой, на обрабатывающий орган станка;

- в расширении технологических возможностей за счет увеличения емкости магазинов и обеспечения возможности их автоматизированной подпитки инструментами во время работы станка.

Кроме того, использование признаков заявляемых решений расширяет возможность их использования в гибких производственных системах с безлюдной технологией обработки деталей.

Наличие причинно-следственной связи признаков заявляемых решений с техническим результатом позволяет отнести их к существенным.

Сравнительный анализ существенных признаков заявляемого станка с признаками прототипа [4] показывают, что заявляемый станок отличается наличием новых элементов, новым взаимным расположением элементов и новыми взаимосвязями между элементами.

Кроме того, заявляемый станок отличается определенным количественным соотношением взаимосвязанных элементов (две бабки, два магазина, два механизма для смены инструмента), скомпонованных таким образом, что эти количественные изменения переходят в качественные (повышение производительности, точности обработки, расширение технологических возможностей).

Следовательно, заявляемый станок соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнительный анализ признаков заявляемого способа с признаками прототипа [7] показывает, что заявляемый способ отличается порядком выполнения действий во времени.

Следовательно, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Анализ известного уровня техники показывает, что отличительные признаки заявляемых решений и причинно-следственная связь между ними и техническим результатом неизвестны. Следовательно, заявляемые решения не следуют явным образом из известного для специалиста уровня техники, что позволяет сделать вывод об их соответствии критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид предложенного станка, вид спереди; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - то же, вид сбоку.

Станок содержит основание 1, жестко закрепленную на нем стойку 2, выполненную в виде портала с двумя вертикальными колоннами 3, связанными между собой поперечиной 4. На внутренних сторонах колонн 3 выполнены вертикальные направляющие 5, на которых с возможностью независимых друг от друга перемещений установлены салазки 6, 7. Каждые салазки имеют горизонтальные направляющие 8, на которых подвижно установлены бабки 9, 10 с взаимно параллельными горизонтальными шпинделями 11 для установки инструмента 12.

Перед стойкой 2 на основании 1 выполнены горизонтальные направляющие 13, перпендикулярные горизонтальному направлению перемещения бабок 9, 10, на которых подвижно установлен стол 14 для обрабатываемых деталей. Стол 14 может быть оснащен поворотным столом для обработки детали с четырех сторон, а также устройством для автоматической смены и зажима палетт (не показаны). По обе стороны от стойки 2 вне рабочей зоны станка установлены на отдельных фундаментах магазины 15, 16 цепного типа с гнездами 17 под инструмент 12, каждый из которых имеет возможность независимых друг от друга перемещений параллельно вертикальным направляющим 5 стойки 2.

В верхней части стойки 2 выполнены горизонтальные Г-образные направляющие 18, 19, на которых установлены механизмы 20, 21 для смены инструмента, каждый из которых имеет возможность независимых друг от друга перемещений по направляющим 18, 19 между одним из магазинов 15, 16 и бабками 9, 10. Направляющие 18, 19 могут быть соединены между собой, что обеспечивает возможность перемещения каждого из механизмов 20, 21 в позиции для смены инструмента в шпинделях обеих бабок 9, 10. Каждый механизм 20, 21 снабжен механической рукой 22, имеющей возможность поворота и осевого перемещения и оснащенной захватами 23 под инструмент, равноудаленными от оси поворота механической руки.

Все подвижные элементы станка снабжены индивидуальными приводами (не показаны), взаимная координация работы которых осуществляется автоматически с помощью устройства числового программного управления.

Обработку детали и смену инструмента на станке осуществляют следующим образом.

Обработка детали, установленной на столе 14, производится поочередным вводом в действие обеих бабок 9, 10, причем пока одна из этих бабок обрабатывает деталь, вторая перемещается по вертикальным направляющим 5 стойки 2 в позицию для смены инструмента, где с помощью одного из механизмов 20, 21 меняет использованный инструмент на новый и возвращается в позицию обработки. Когда первая из бабок оканчивает цикл обработки, она по горизонтальным направляющим 8 салазок 6, 7 отодвигается от детали, а вторая бабка с новым инструментом одновременно подается к детали, продолжая ее обработку, что сокращает вспомогательное время, затрачиваемое на смену инструмента.

Смена инструмента в бабках 9, 10 осуществляется поочередно из обоих магазинов 15, 16, поочередным вводом в действие обоих механизмов 20, 21, причем пока один из этих механизмов меняет использованный инструмент в одной из бабок, второй - осуществляет обмен инструмента с магазином и последующую доставку в позицию смены нового инструмента. При этом оба механизма 20, 21, осуществляя возвратно-поступательные перемещения по горизонтальным направляющим 18, 19 между одним из магазинов 15, 16 и позицией смены инструмента в бабках, попеременно занимают эту позицию с новым инструментом, что исключает простаивание одной из бабок, пока не окончился цикл смены инструмента в другой бабке. Поочередная смена инструмента из обоих магазинов 15, 16, установленных по обе стороны от стойки 2, поочередным вводом в действие обоих механизмов 20, 21 обеспечивает возможность снижения скорости перемещения гнезд 17 с инструментом 12 в процессе поиска очередного нового инструмента в магазинах и снижения скорости перемещения механизмов 20, 21 по направляющим 18, 19 между магазинами 15, 16 и позициями смены инструмента в бабках 9, 10, что снижает уровень вибраций, воздействующих на эти бабки в процессе обработки детали. Кроме того, вибрации, возникающие при работе магазинов 15, 16 в результате инерционности и неуравновешенности их подвижных элементов, передаются непосредственно на фундамент, минуя вертикальные направляющие 5 стойки 2, на которых установлены бабки 9, 10.

Смена инструмента в одной из бабок, например 9, осуществляется в следующей последовательности. Привод магазина 15, перемещая гнезда 17 с инструментом 12 параллельно вертикальным направляющим 5 стойки 2, выводит нужный новый инструмент в позицию обмена с механизмом 20. Одновременно с этим механизм 20 перемещается по направляющим 18 к магазину 15, его механическая рука 22 своим свободным захватом 23 захватывает инструмент 12 и осевым перемещением достает его из гнезда 17, поворачивается на 180^o и устанавливает использованный инструмент 12 в соответствующее свободное гнездо 17. Затем механизм 20 с новым инструментом 12 перемещается в позицию смены инструмента в бабке 9. Бабка 9, завершив цикл обработки детали установленным в ее шпинделе 11 инструментом 12, отодвигается от детали по горизонтальным направляющим 8 салазок 6 и вместе с салазками перемещается по вертикальным направляющим 5 стойки 2 вверх в позицию смены инструмента в бабке 9. Механическая рука 22 механизма 20 своим свободным захватом 23 захватывает использованный инструмент 12 в шпинделе 11 бабки 9, достает его из шпинделя, поворачивается на 180^o и устанавливает новый инструмент в шпиндель. После чего бабка 9 с новым инструментом перемещается в позицию обработки, а механизм 20 с использованным инструментом - к магазину 15, где обменивает использованный инструмент на новый и возвращается в позицию смены инструмента в бабке 9. Далее цикл смены инструмента повторяется.

Смена инструмента в бабке 10 из магазина 16 осуществляется аналогично вышеописанной параллельно с обработкой детали бабкой 9.

Смена инструмента в каждом из магазинов 15, 16 осуществляется параллельно со сменой инструмента в одной из бабок 9, 10 и обработкой детали другой бабкой.

Смена инструмента в магазине 15 осуществляется параллельно со сменой инструмента в бабке 10 и обработкой детали бабкой 9, а смена инструмента в магазине 16 осуществляется параллельно со сменой инструмента в бабке 9 и обработкой детали бабкой 10. При этом привод соответствующего магазина, перемещая гнезда 17 с инструментом 12 параллельно вертикальным направляющим 5 стойки 2, выводит инструмент, подлежащий смене, в позицию смены, расположенную в нижней части магазина, что обеспечивает возможность автоматизированной смены инструмента в магазинах известными в технике средствами [9] и соответственно расширяет возможности использования заявляемого станка в составе гибких производственных систем с безлюдной технологией. Кроме того, динамические нагрузки, возникающие при смене инструмента в магазинах в процессе обработки детали одной из бабок, передаются непосредственно на фундамент.

Таким образом, использование заявляемого станка и способа смены инструмента на нем обеспечивает:

- повышение производительности за счет совмещения процесса смены инструмента на станке с процессом обработки детали;

- повышение точности обработки за счет уменьшения влияния вибраций и динамических нагрузок, вызванных этой сменой, на рабочие органы станка в процессе обработки детали;

- расширение технологических возможностей за счет увеличения емкости магазинов и обеспечения возможности их автоматизированной подпитки инструментами во время работы станка.

Дополнительными преимуществами заявляемого станка являются:

- расширение возможностей его использования в составе гибких производственных систем, предусматривающих безлюдную технологию обработки деталей;

- повышение его надежности за счет сохранения работоспособности при выходе из строя одного из магазинов или одного из механизмов для смены инструмента;

- повышение удобства обслуживания магазинов при выполнении ремонтных и пуско-наладочных работ.

В настоящее время разрабатывается технический проект специального горизонтального фрезерно-расточного станка повышенной производительности и точности с двумя ползунковыми бабками, с УЧПУ, УАСИ и УАСД мод. МСГ6062МФ4, предназначенного для комплексной обработки деталей из черных и цветных металлов и сплавов, а также из пластмасс. Изготовлены и испытаны в составе других станков отдельные узлы данного станка.

Использование заявляемых изобретений в данном станке запланировано на 1 кв. 2002 г. Планируется патентование за рубежом.

Источники информации

1. Заявка ФРГ OS 3242439, кл. B 23 Q 3/157, опубл. 17.05.84.

2. Патент США 4535527, кл. B 23 Q 3/157, опубл. 20.08.85.

3. Патент ФРГ 19503482 С2, кл. B 23 Q 3/157, опубл. 05.12.96.

4. Международная заявка РСТ/ЕР 96/00016, дата подачи 04.01.96, WO 96/23613, опубл. 08.08.96, кл. B 23 C 1/04, B 23 B 39/02, B 23 Q 3/157 - прототип.

5. Проспект фирмы "Honsbery Lamb", ФРГ, "Le centre d"usnage flexible bi-broshes MACH 1".

6. Заявка ФРГ OS 3235319, кл. B 23 Q 3/157, опубл. 12.04.84.

7. Заявка ФРГ OS 3330442, кл. B 23 Q 3/157, опубл. 13.12.84 - прототип.

8. Патент США 4571813, кл. B 23 Q 3/157, опубл. 25.02.86.

9. Заявка ФРГ OS 3327512, кл. B 23 Q 3/157, опубл. 16.02.84.