Опытного конструктора сложно чем-то удивить, но давайте попробуем вспомнить то захватывающее чувство, когда открываешь крышку механизма, не имея вообще никакого понятия о том, что внутри. Душа замирает, в глазах — предвкушение, в голове — мысли типа «надеюсь, это не очередная китайская импровизация на тему "как сделать сложно, когда можно просто"». Сегодня мы поговорим о магазине инструментов для металлорежущего станка.
Конфигураций этих магазинов много, но работают они по одному и тому же принципу: твёрдой, иногда слегка дрожащей от вибраций рукой, манипулятор меняет один инструмент на другой.
Ниже — одна из вариаций таких магазинов с манипулятором, спроектированная на основе корейского образца (тот самый случай, когда "оригинал" вызывает одновременно уважение и испуг).
Сменный инструмент хранится в специальных гнёздах, собранных в цепочку. В зависимости от модификации цепь может укладываться по-разному: по кругу, по квадрату, зиг-загом... Это зависит от конфигурации станка и необходимого количества гнёзд под инструмент. И да, если вы когда-то думали, что цепь — это что-то из мотоциклов или велосипедов, то вот вам новая ассоциация: цепь под инструмент, весом 130 кг.
С обратной стороны магазина есть манипулятор с рукой, которую мы видели на видео выше по тексту. Цепь может перемещаться, подводя необходимый инструмент к точке, где происходит смена инструмента.
Кулачковая магия: измеряй не измеряя
А вот дальше начинается магия. Чтобы спозиционировать гнездо точно напротив руки манипулятора, нужно использовать точную измерительную систему. Ну или не нужно — если у тебя есть кулачковый механизм, который говорит: «Датчики? Не, не слышал».
На заднем фоне видно литое колесо с красным ободком (1), на котором натянута цепь. На нём — ролики (2), которые заходят в трёхмерный кулачок (3). Ниже под кулачком — индуктивный датчик (4), регистрирующий проворот кулачка на один оборот. При этом его погрешность может составлять 3…5…10 градусов. Кто-то скажет: «Да это же ужас!», но не волнуйтесь — на точность позиционирования цепи это почти не влияет. Механика не прощает ошибок, но и прощает их одновременно — если правильно сделана. У кулачка есть участок, где он проталкивает колесо с цепью, а есть «мёртвый» участок около 30 градусов, где при вращении кулачка цепь остаётся неподвижна. Таким образом точность остановки кулачка не влияет на точность позиционирования цепи с инструментом. Как такой кулачок синтезировать и сделать на него чертёж – отдельная история.
Анимация аналогичного магазина для справки:
Пневмо-акробатика
Первую операцию — подвод нужного инструмента — рассмотрели. Теперь — вторая: нужное гнездо напротив манипулятора откидывается из горизонтального положения в вертикальное. Делается это в духе механического балета с помощью жёлтенького пневмоцилиндра, который дёргает за колёсико в филейной части гнезда под инструмент. Колёсико идёт вверх, а гнездо «падает» вниз.
Механическая рука: одна мускула — три движения
Теперь давайте посмотрим на саму руку. Сразу бросается в глаза, что у неё лишь один привод, а движений — как у танцора на конкурсе:
поворот руки,
движение руки вверх и вниз,
фиксация инструмента выдвижным пальцем на конце руки.
«Как?!» — спросите вы. Ответ вас не порадует: «кулачки». Снимаем крышку, а там… не линейные и поворотные пневмоцилиндры, как в привычной жизни, а хитрая система кулачков и толкателей.
На картинке это выглядит несложно. В реальности — вал кулачка, толкателя, червяка стоят на конических подшипниках с регулируемым натягом. Так же есть регулировка положения кулачка и толкателей через эксцентрики. При этом весь механизм — в ванной с маслом. Работает эта механика следующим образом:
Сенсорный сюрприз
Но даже это ещё не всё. Если внимательно присмотреться, увидем ещё одну тонкую цепь. Она ведёт в отдельный блок с системой колец и индуктивных датчиков, которые следят, дошёл ли манипулятор до нужной позиции. С виду просто, но если сломается — то готовься звать шамана или конструктора.
А что насчёт пальца?
Мы выяснили, за счёт чего двигается рука манипулятора. А как работает палец, фиксирующий инструмент на конце руки? Ну, может, у него отдельный привод? Или хотя бы свой кулачок? Ага, сейчас.
На аксонометрии видно, что, когда рука манипулятора идёт вверх и упирается в его корпус, в ней нажимаются вертикальные штифты (1), которые приводят в движение горизонтальный шток (2). Тот, в свою очередь, приводит в движение фиксирующий палец (3). Идея проста, как дверной шпингалет. Реализация — как у механизма раскладывающегося крыла истребителя (нет, конечно).
Итоги
Несмотря на кажущуюся простоту по отношению к самим станкам ЧПУ, на которые такие магазины устанавливаются, количество уникальных деталей (без учёта крепежа) составляет более 250 штук. А с учётом крепежа и массивов одинаковых элементов, всего в сборке участвует 3816 компонентов.
Такие механизмы не просто интересны — они будто сошли со страниц учебников по теоретической механике и ожили. Они напоминают, что механика — это не про «устаревшее», а про «работает всегда». И если вы открыли очередную крышку и увидели десяток шестерён, цепей, кулачков и ни одного микроконтроллера — поздравляем, вы в надёжных руках.