Устройство для автоматической смены инструментов

Полезная модель относится к области машиностроения и предназначена для автоматической смены инструментов на металлорежущих станках.
Из уровня техники известно устройство для автоматической смены инструментов, выполненное в виде многоярусной секторной конструкции с внутренними полками с гнездами для инструментов и центральной направляющей с манипулятором, предназначенным для перемещения инструментов из гнезд полок к исполнительному органу и обратно (патент US №2005/0277529 А1, опубл. 15.12.2005).
К недостаткам аналога следует отнести неудобство его ремонтного/сервисного обслуживания, обусловленное трудностью доступа к инструментальной зоне, размещенной внутри контура многоярусной секторной конструкции. Кроме того, секторное исполнение, обусловленное необходимостью организации зоны выгрузки/загрузки инструментов манипулятором, существенно снижает емкость устройства.
Наиболее близким к заявленному - прототипом - является устройство для автоматической смены инструментов, включающее установленный на основании вертикальный вал с соосно размещенными на нем дисковыми накопителями, оснащенными периферийными гнездами для размещения инструментов с однонаправленной вертикальной ориентацией хвостовиков, и вертикальную направляющую штангу с установленной на ней и оснащенной приводами вертикального и горизонтального перемещения и поворота в горизонтальной плоскости рукой манипулятора, предназначенной для перемещения инструментов из гнезд дисковых накопителей к исполнительному органу и обратно, причем взаимное угловое позиционирование манипулятора и дисковых инструментальных накопителей осуществляется путем поворота вала с накопителями на требуемый угол (Колка И.А., Кувшинский В.В., Многооперационные станки, М., Машиностроение, 1983, с. 47). Такая конструкция существенно увеличивает емкость инструментального магазина и облегчает доступ к инструментальной зоне.
К недостаткам прототипа следует отнести его чрезмерную энергоемкость, обусловленную энергозатратами на привод поворота весьма инерционной системы - вал с дисковыми накопителями, особенно при наличии большого количества габаритных, а, значит, обладающих большой массой инструментов.
Задача полезной модели - снижение инерционной составляющей в энергозатратах устройства для автоматической смены инструментов.
Технический результат - снижение энергозатрат устройства для автоматической смены инструментов.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для автоматической смены инструментов, включающем установленный на основании вертикальный вал с соосно размещенными на нем дисковыми накопителями, оснащенными периферийными гнездами для размещения инструментов с однонаправленной вертикальной ориентацией хвостовиков, и вертикальную направляющую штангу с установленной на ней и оснащенной приводами вертикального и горизонтального перемещения и поворота в горизонтальной плоскости рукой манипулятора, предназначенной для перемещения инструментов из гнезд дисковых накопителей к исполнительному органу и обратно, основание снабжено кольцевой направляющей с кареткой, оснащенной приводом ее перемещения вдоль направляющей, а вертикальная направляющая штанга закреплена в упомянутой каретке с возможностью совместного с ней перемещения.
Полезная модель основана на том, что перемещать компактный манипулятор с одним инструментом энергетически эффективнее, чем набор массивных накопителей с большим количеством тяжелых инструментов.
Полезная модель поясняется изображениями, где:
на фиг. 1 - принципиальная конструкция устройства для автоматической смены инструментов, в изометрии;
на фиг. 2 - устройство для автоматической смены инструментов, вид сбоку;
на фиг. 3 - устройство для автоматической смены инструментов, разрез А-А на фиг. 2.
Устройство 1 для автоматической смены инструментов (Фиг. 1) включает основание 2, вертикальный вал 3, дисковые накопители 4, гнезда 5 (по сути - фиксаторы, обеспечивающие определенным образом ориентированное и надежное положение инструментов в накопителе) для размещения инструментов с однонаправленной вертикальной ориентацией хвостовиков, инструменты 6, вертикальную направляющую штангу 7, привод 8 вертикального перемещения руки манипулятора, привод 9 горизонтального перемещения руки манипулятора, привод 10 поворота руки манипулятора в плоскости дисковых накопителей, рука манипулятора 11 с двумя оппозитно расположенными активными захватами 15, кольцевую направляющую 12, каретку 13, привод 14 контролируемого перемещения каретки вдоль направляющей.
Устройство для автоматической смены инструментов работает следующим образом.
В исходном состоянии инструменты 6 установлены в фиксаторы (гнезда) 5 дисковых накопителей 4, а рука манипулятора 11 со свободными от инструмента активными захватами 15 находится в произвольном положении. При необходимости установки инструмента 6 в исполнительный орган (например, в шпиндель) станка, по команде системы управления (не показана, аналогична прототипу) рука манипулятора 11 устанавливается с помощью вертикального привода 8 напротив нужного дискового накопителя 4, с помощью привода 14 контролируемого перемещения каретки вдоль направляющей рука манипулятора устанавливается напротив фиксатора 5 с нужным инструментом 6 на выбранном дисковом накопителе 4 и с помощью привода 10 (поворот руки манипулятора 11 в горизонтальной плоскости выбранного дискового накопителя 4) осуществляется установка одного из активных захватов 15 руки манипулятора 11 напротив фиксатора 5 с нужным инструментом 6. Затем рука манипулятора 11 с помощью привода 9 горизонтального перемещения выдвигается к данному инструменту 6 до совпадения вертикальных осей данного инструмента 6 и активного захвата 15 руки манипулятора 11 и осуществляет активный захват/зажим инструмента 6. После этого рука манипулятора 11 с помощью привода 9 горизонтального перемещения идет в противоположном направлении вместе с инструментом 6 до полного выхода инструмента 6 из фиксатора 5 дискового накопителя 4. Далее рука 11 манипулятора устанавливается в зону установки - съема инструмента в исполнительный орган станка, куда подходит исполнительный орган, например, шпиндель станка, он наезжает на хвостовик инструмента, фиксирует его и после отпускания инструмента активным захватом руки 11 манипулятора выводит инструмент 6 в рабочую зону для обработки заготовки (процесс аналогичен прототипу, на изображениях не показан). Во время обработки заготовки рука манипулятора 11 производит вышеописанные операции по подготовке к установке следующего инструмента. После выполнения операции обработки шпиндель возвращается в зону установки - съема. Сначала манипулятор снимает отработавший инструмент из шпинделя, затем с помощью привода поворота манипулятора в плоскости дисковых накопителей 10 рука манипулятора поворачивается на 180° и в шпиндель устанавливается новый инструмент 6. Далее все операции повторяются в обратном порядке до установки инструмента 6 в свободный фиксатор 5 дискового накопителя 10 инструментального магазина 1 и подготовки к установке нового инструмента 6. После выполнения всех операций обработки разгруженная рука манипулятора 11 приводится в исходное произвольное положение.
В рассмотренном примере и на изображениях представлено устройство с открытыми гнездами/фиксаторами 5, однако гнезда могут быть и закрытого типа (см., например, Колка И.А., Кувшинский В.В., Многооперационные станки, М., Машиностроение, 1983, с. 47, рис. д). В этом случае для изъятия инструмента 6 из гнезда 5 или возвращения его обратно в гнездо потребуется дополнительное вертикальное перемещение руки манипулятора 11, что обеспечено приводом 8 вертикального перемещения руки манипулятора.
Эксперимент (компьютерное моделирование) показал, что для тяжелых обрабатывающих центров с количеством сменяемых инструментов свыше 46, энергозатраты заявленного устройства для автоматической смены инструментов могут быть снижены по сравнению с прототипом на 20% и более.
Исходя из выше сказанного, можно сделать вывод о том, что при реализации полезной модели поставленная задача - снижение инерционной составляющей в энергозатратах устройства для автоматической смены инструментов - решена, а заявленный технический результат - снижение энергозатрат устройства для автоматической смены инструментов - достигнут.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле полезной модели признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения заявленного технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к области машиностроения и предназначен для автоматической смены инструментов на металлорежущих станках;
для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке и известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.