SOUTĚŽNÍ PŘEHLÍDKA STUDENTSKÝCH A DOKTORSKÝCH PRACÍ FST 2007
AUTOMATICKÁ VÝMĚNA NÁSTROJŮ NA OBRÁBĚCÍCH STROJÍCH Ondřej Tyc ABSTRAKT Práce je provedena jako rešerše používaných systémů pro automatickou výměnu nástrojů na obráběcích strojích a návrh jednoho zvoleného systému podle předem stanovených požadavků. Rešerše je provedena pro použití zásobníků na různé typy strojů, jako horizontální a vertikální obráběcí centra, soustruhy apod. . KLÍČOVÁ SLOVA revolverová hlava, skladovací zásobník, nosný zásobník, vřeteno, vrtací hlava, chapač, nástroj
1.
SYSTÉMY S NOSNÝMI ZÁSOBNÍKY
Hlavní částí systémů s nosnými zásobníky je právě zásobník nástrojů, který se kromě přenosu řezných sil vyznačuje tím, že nemá velký počet nástrojových míst. Z tohoto důvodu bývá umístěn přímo na stroji a nezabírá proto ještě další půdorysnou plochu stroje. 1.1
Systémy s otočnou ( revolverovou ) hlavou
Nástroje jsou v této hlavě pevně upnuty a vykonávají jen vedlejší pohyby. V tomto případě hlavní řezný pohyb vykonává obrobek. Typickými představiteli těchto zařízení jsou revolverové a nožové hlavy. viz. [1]
Revolverové hlavy s pevnými nástroji, které se nejvíce používají u soustruhů, můžeme dělit dle polohy osy hlavy vzhledem k rovině příčných saní a to na :
S osu rovnoběžnou s příčnými saněmi suportu pohybujícím se podélně /obr. 2/ S osu rovnoběžnou s příčnými saněmi suportu pohybujícím se příčně /obr. 3/ S osou kolmou k příčným saním suportu /obr. 4/ Osou k těmto saním šikmou /obr. 5/
Obr. 2
Obr. 3
Obr. 4
Obr. 5
1
1.2
Systémy s výměnou celých vřeten nebo vřeteníků Výměna celých vřeten nebo vřeteníků lze provádět třemi základními způsoby : viz. [1] o o o
Pomocí vřetenové revolverové hlavy Výměnou vřeten nebo vřeteníků rozmístěných v kruhu Výměnou vřeten nebo vřeteníků rozmístěných po přímce
Vřetenové revolverové hlavy se většinou používají s pevnými nástroji v těchto provedeních : viz.[1]
Obr. 6
Osy vřeten v jedné rovině, kolmé k ose otáčení hlavy /obr.6/ Osy vřeten rovnoběžné s osou otáčení hlavy /obr.7/ Osy vřeten jsou površkami kuželu, jehož osa je osou otáčení hlavy /obr.8/
Obr.7
Obr.8
Hlavními přednostmi systémů automatické výměny nástrojů s nosnými zásobníky je to, že odpadají složité manipulátory a dopravníky nástrojů.Také čas výměny je vzhledem k jednoduchosti konstrukce velmi krátký. Nástroje v těchto případech bývají seskupeny tak, v jakém jsou potom pořadí u jednotlivých operací. Celý systém této výměny nástrojů je celkem malý a nezvětšuje tedy půdorysnou plochu stroje. 2.
SYSTÉMY SE SKLADOVÝMI ZÁSOBNÍKY
Tyto zásobníky mají pouze skladovací funkci. Pro práci s nástroji je nutné nejprve nástroj vyjmout ze zásobníku a vsadit do vřetena (u strojů kde hlavní řezný pohyb vykonává nástroj ) nebo na nosič nástroje( u strojů kde hlavní řezný pohyb vykonává obrobek ). 2.1
Systémy s výměnou jednotlivých nástrojů ve vřetenu nebo na nosiči nástrojů ze zásobníku
Nástroje jsou v této hlavě pevně upnuty a vykonávají jen vedlejší pohyby. V tomto případě hlavní řezný pohyb vykonává obrobek. Typickými představiteli těchto zařízení jsou revolverové a nožové hlavy. viz [1] Hlavní části těchto systémů jsou : o Skladovací zásobník nástrojů / obr.9 / o Dopravní manipulátor přemísťující nástroje ze zásobníku do místa výměny nebo do mezizásobníku nástrojů. /obr.10/ o mezizásobník používaný při velkých vzdálenostech mezi zásobníkem a pracovním místem, u velkokapacitních zásobníků nástrojů o manipulátor pro výměnu nástrojů ve vřetenu stroje nebo na nosiči nástrojů / obr.10 /, tentomanipulátor může někdy sloužit jako manipulátor dopravní / obr. 11 /
Obr. 9
Obr.10
Obr.11
2
Dále lze tyto systémy dělit : a)
Podle kapacity zásobníku -
Systémy s maloobjemovými zásobníky /Obr.12/ o kapacita 25 – 40 nástrojů o uspořádání jako revolverové hlavy nebo bubny s mnoha nástrojovými místy o nástroje uspořádány radiálně, kuželovitě nebo rovnoběžně k ose vřetena o umístění bývá na vřeteníku či stojanu Obr. 12
-
Systémy s velkoobjemovými zásobníky /Obr. 13/ o kapacita 50 – 150 nástrojů o řešení jako bubnové, řetězové nebo kotoučové o umístění mimo stroj na zvláštním stojanu
Obr. 13 b) Podle cesty vykonávané nástrojem ze zásobníku -
Systém zásobník – vřeteno / Obr.12 /
-
Systém Zásobník – podavač – vřeteno / Obr. 13, Obr. 14 /
Obr. 13
2.2
Obr. 14
-
Systém zásobník s vyklápěním – podavač – vřeteno / Obr.13 /
-
Systém zásobník – podavač – dvouvřetenová nebo dvoupolohová hlava
-
Různé kombinované systémy s dopravními manipulátory
Systémy s výměnou celých vřetenových hlav ze zásobníku
Vrtací hlavy jsou uspořádány v zásobníku místo nástrojů. Systém může být s podavačem i bez podavače. Potom je zásobník na zvláštním stojanu vedle stroj. Automatická výměna hlav je možná provést pomocí vřetenové revolverové hlavy. Zásobník pak přenáší řezné síly.
3
3.
SYSTÉMY KOMBINOVANÉ
Jsou to vlastně kombinace dvou předchozích typů AVN. Zpravidla mají jednu nebo více nástrojových či vřetenových hlav a jeden nebo více zásobníků. Jako příklad je možno uvést příklad s jedním zásobníkem s čistě skladovací funkcí a jednou vřetenovou revolverovou hlavou, která přenáší řezné síly. V revolverové hlavě se mění nástroje v pozicích A a D, v dalších místech jsou pevně upnuty nástroje které jsou buď moc rozměrné, nebo se používají často a na krátké operace a výměna by se tedy časově nevyplácela. Ve skladovém zásobníku by měli být nástroje pro delší časové operace. 4.
MOŽNOSTI POUŽITÍ ZÁSOBNÍKŮ U JEDNOTLIVÝCH DRUHŮ OS a)
Frézovací centra vertikální, frézovací centra horizontální, vodorovné vyvrtávačky : 9 -
Systémy s nosnými zásobníky systémy s otočnou nástrojovou hlavou • vřetenové revolverové hlavy systémy s výměnou celých vřeten nebo vřeteníků
9 -
Systémy se skladovacími zásobníky systémy s výměnou jednotlivých nástrojů systémy s výměnou celých vrtacích hlav ze zásobníku 9
Systémy kombinované
b). Svislé soustruhy ( karusely ) 9 -
Systémy s nosnými zásobníky systémy s otočnou nástrojovou hlavou • nožové hlavy • revolverové hlavy systémy s výměnou celých vřeten nebo vřeteníků
9 -
Systémy se skladovacími zásobníky systémy s výměnou jednotlivých nástrojů systémy s výměnou celých vrtacích hlav ze zásobníku 9
c)
Soustruhy s vodorovnou osu vřetena 9 -
5. 5.1
Systémy kombinované
Systémy s nosnými zásobníky systémy s otočnou nástrojovou hlavou • nožové hlavy • revolverové hlavy systémy s výměnou celých vřeten nebo vřeteníků
NÁVRH ZVOLENÉHO SYSTÉMU Požadavky na zvolený systém se skladovým zásobníkem a manipulátorem a)
Velikostní parametry nástrojů -
maximální průměr nástrojů – plné obsazení nástrojových míst, pak průměr nástroje 120 mm - neobsazení sousedních buněk, pak průměr nástroje 240 mm
4
-
maximální hmotnost nástroje – 15 kg
b) Pracovní zdvihy
c)
5.2
-
velikost svislého zdvihu h = 495 mm
-
rozteč nástrojů v chapači l = 800mm
Pracovní rychlosti -
zdvih vp = 0,1665 m s-1
-
otáčení vr = 0,6671 ot s-1
Obecné návrhové výpočty 1) Výpočty rychlostí a rychlení a)
svislý posuvný pohyb chapače
dx dt dv a= dt a ⋅ dt = dv
v=
t
v
0
0
a ⋅ ∫ dt = ∫ dv a⋅t = v ⇒ t =
v a
(1)
1 1 ⎛v⎞ s = a ⋅t2 = a ⋅⎜ ⎟ 2 2 ⎝a⎠
2
2s 1 v2 = ⇒a= v2 a 2s
(2)
b) rotační pohyb chapače
vr = 0,6671ot ⋅ s −1 ⇒ ω =
ϕ o = 30 o ⇒ ϕ rad = α ⋅t = ω ⇒ t =
π 180
ω α
π ⋅ r ⋅ ϕ rad r rad = ⋅ϕ s= 2π 2 ω2 2s 1 = ⇒ α = ω2 α r ⋅ ϕ rad
5
π ⋅n 30
= 4,19rad ⋅ s −1
⋅ ϕ o = 0,524rad (3)
(4)
2) Návrh motorů z momentů setrvačnosti
a) Pohyb rotační - z bilance výkonů:
M red ⋅ ω M 2 = M kM 2 ⋅ ω M 2 − M CHAP. ⋅ ω CHAP. M red ⋅ ω M 2 = M kM 2 ⋅ ω M 2 − m ⋅ g ⋅ r ⋅ cos ϕ ⋅ ω M 2 ⋅ i PŘ 2 ⋅ i34 Ř (5)
M red = M kM 2 − m ⋅ g ⋅ r ⋅ cos ϕ ⋅ i PŘ 2 ⋅ i34 Ř
ϕ = (0, π ) Ired → z bilance kin.energie
M CHAP . = m ⋅ g ⋅ r ⋅ cos ϕ
ω CHAP. = ω M 2 ⋅ i PŘ 2 ⋅ i34 Ř α→
z fce rozběhu motoru
M red = I red ⋅ α
⇓
r….. poloměr chapače MkM2 ⇒
vytipování motoru dle katalogu ⇒
n M2
6
b) Pohyb posuvný ¨
- z bilance výkonů :
Fred ⋅ v Š = M M 1 ⋅ ω M 1 − (2 ⋅ m nást . ⋅ g ⋅ v Š + mCHAP . ⋅ g ⋅ v Š + m drž . ⋅ g ⋅ v Š ) Fred =
M M1 − (2 ⋅ mnást . ⋅ g + mCHAP. ⋅ g + mdrž . ⋅ g ) r
(6)
ωM1 =
vŠ r
Fred = mred . a
a = r ⋅α mred → z bilance kin.energie
α→ ⇓ MM1 ⇒ 5.3
vytipování motoru dle katalogu ⇒
n M1
Popis skladového zásobníku a manipulátoru
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Vlastní zásobník nástrojů s bezpečnostním krytem Mechanismus výměny nástrojů ( manipulátor ) Nosný rám Součást pro upevnění zásobníku ke stojanu stroje Mechanismus pro vyklápění nástrojů Stavěcí podložky
7
z fce rozběhu motoru
20. Chapač s hřídelem
24. Drážkovaný hřídel
21. Uložení mechanismu translace
25. Řemenový převod translace
22. Uložení mechanismu rotace
26. Trapézový šroub
23. Řemenový převod rotace
27. Spojovací rameno
6.
ZÁVĚR
Automatická výměna nástrojů na obráběcích strojích je v dnešní době již zcela základní funkce, kterou musí obráběcí stroj splňovat. Velmi významným požadavkem výměny nástrojů je velká tuhost jednotlivých částí a z toho plynou možnosti velkých rychlostí a tím zkrácení časů výměn nástrojů. Směrem zkracování doby výměny se v dnešní době také postupuje při návrhu nových systémů a to jak zvyšováním tuhosti, tak i zařazováním nových funkčních celků do těchto systémů. PROHLÁŠENÍ Tuto práci jsem provedl jako stručný výňatek bakalářské práce na téma „Automatická výěna nástrojů na OS“. Vedoucím této bakalářské práce je Doc.Ing. Jaroslav Krátký, PhD. Bakalářskou práci jsem vypracoval na katedře konstruování strojů, ZČU v Plzni ve školním roce 2006/2007. LITERATURA Knižní publikace: [1] BEDŘICH, R., HOUŠA, J., KRATOCHVÍL, J., KRATOCHVÍLOVÁ, H. Konstrukce číslicověřízených výrobních strojů. Praha: ČVUT, 1977. [2] HOSNEDL, S., KRÁTKÝ, J. Příručka strojního inženýra – obecné strojní části 2, Praha: Computer Press, 2000. ISBN 80-7726-202-5 Internetové odkazy: http://www.atcgifu.com http://www.kovosvit.cz http://www.skoda.cz http://www.weilerholoubkov.cz Ondřej Tyc, Školní 159, 338 05 Mýto, tel : 606 647500, e-mail : tyc.o@seznam
8
9
