Zasada i etapy automatycznej wymiany narzędzi w centrach obróbczych CNC
Streszczenie: Niniejszy artykuł szczegółowo omawia znaczenie automatycznej wymiany narzędzi w centrach obróbczych CNC, zasadę automatycznej wymiany narzędzi oraz poszczególne kroki, w tym takie aspekty, jak załadunek narzędzi, ich dobór i wymiana. Celem artykułu jest dogłębna analiza technologii automatycznej wymiany narzędzi, dostarczenie wsparcia teoretycznego i praktycznych wskazówek dotyczących poprawy wydajności i dokładności obróbki w centrach obróbczych CNC, pomoc operatorom w lepszym zrozumieniu i opanowaniu tej kluczowej technologii, a następnie w zwiększeniu wydajności produkcji i jakości produktów.
I. Wprowadzenie
Centra obróbcze CNC, będące kluczowym wyposażeniem nowoczesnego przemysłu wytwórczego, odgrywają kluczową rolę dzięki automatycznym urządzeniom do wymiany narzędzi, systemom narzędzi skrawających oraz automatycznym zmieniaczom palet. Zastosowanie tych urządzeń umożliwia obróbkę wielu różnych detali obrabianego przedmiotu po jednej instalacji, co znacznie skraca bezawaryjne przestoje, skutecznie skraca cykl produkcyjny i ma istotne znaczenie dla poprawy dokładności obróbki. Wydajność automatycznego urządzenia do wymiany narzędzi, będącego kluczowym elementem tego systemu, jest bezpośrednio związana z poziomem wydajności obróbki. Dlatego też dogłębne badania nad jego zasadą działania i poszczególnymi etapami mają istotne znaczenie praktyczne.
II. Zasada automatycznej wymiany narzędzi w centrach obróbczych CNC
(I) Podstawowy proces wymiany narzędzi
Chociaż w centrach obróbczych CNC występują różne rodzaje magazynków narzędzi, takie jak magazynki tarczowe i łańcuchowe, podstawowy proces wymiany narzędzi jest spójny. Gdy urządzenie do automatycznej wymiany narzędzi otrzyma polecenie wymiany narzędzia, cały system szybko uruchamia program wymiany. Najpierw wrzeciono natychmiast zatrzymuje się i precyzyjnie zatrzymuje w zadanej pozycji wymiany narzędzia dzięki precyzyjnemu systemowi pozycjonowania. Następnie aktywowany jest mechanizm zwalniania narzędzia, aby przygotować narzędzie do wymiany na wrzecionie. W międzyczasie, zgodnie z instrukcjami systemu sterowania, magazyn narzędzi napędza odpowiednie przekładnie, aby szybko i precyzyjnie przesunąć nowe narzędzie do pozycji wymiany, a także wykonuje operację zwalniania narzędzia. Następnie manipulator dwuramienny szybko działa, precyzyjnie chwytając jednocześnie nowe i stare narzędzie. Po obróceniu stołu do właściwej pozycji, manipulator instaluje nowe narzędzie na wrzecionie i umieszcza stare narzędzie w pustym miejscu w magazynie narzędzi. Na koniec wrzeciono wykonuje czynność zaciskania, aby mocno przytrzymać nowe narzędzie i powraca do początkowej pozycji obróbki zgodnie z instrukcjami systemu sterowania, kończąc w ten sposób cały proces wymiany narzędzia.
(II) Analiza ruchu narzędzi
Podczas procesu wymiany narzędzia w centrum obróbczym ruch narzędzia składa się głównie z czterech głównych części:
- Zatrzymanie narzędzia wraz z wrzecionem i przesunięcie do pozycji wymiany narzędzia: Ten proces wymaga, aby wrzeciono zatrzymało się szybko i precyzyjnie, a następnie przesunęło się do określonej pozycji wymiany narzędzia poprzez układ ruchomych osi współrzędnych obrabiarki. Zazwyczaj ruch ten jest realizowany za pomocą mechanizmu przekładniowego, takiego jak para śruba-nakrętka napędzana silnikiem, co zapewnia dokładność pozycjonowania wrzeciona spełniającą wymagania obróbki.
- Przemieszczanie narzędzia w magazynku narzędzi: Sposób przemieszczania narzędzia w magazynku narzędzi zależy od jego rodzaju. Na przykład, w magazynku łańcuchowym, narzędzie przemieszcza się do określonej pozycji wraz z obrotem łańcucha. Proces ten wymaga, aby silnik napędowy magazynku narzędzi precyzyjnie kontrolował kąt obrotu i prędkość łańcucha, aby zapewnić precyzyjne dotarcie narzędzia do pozycji wymiany. W magazynku tarczowym, pozycjonowanie narzędzia odbywa się za pomocą mechanizmu obrotowego magazynku narzędzi.
- Przenoszenie ruchu narzędzia za pomocą manipulatora zmiany narzędzi: Ruch manipulatora zmiany narzędzi jest stosunkowo złożony, ponieważ musi wykonywać zarówno ruchy obrotowe, jak i liniowe. Podczas etapów chwytania i zwalniania narzędzia, manipulator musi zbliżać się do narzędzia i od niego odchodzić, wykonując precyzyjny ruch liniowy. Zwykle odbywa się to za pomocą mechanizmu zębatkowego napędzanego siłownikiem hydraulicznym lub pneumatycznym, który następnie napędza ramię mechaniczne, aby uzyskać ruch liniowy. Podczas etapów wyjmowania i wkładania narzędzia, oprócz ruchu liniowego, manipulator musi również wykonać pewien kąt obrotu, aby zapewnić płynne wyciąganie i wkładanie narzędzia z wrzeciona lub magazynu narzędzi. Ten ruch obrotowy jest osiągany dzięki współpracy ramienia mechanicznego i wału przekładni, obejmującej konwersję par kinematycznych.
- Powrót narzędzia do pozycji roboczej z nowym narzędziem: Po zakończeniu wymiany narzędzia, wrzeciono musi szybko powrócić do pierwotnej pozycji roboczej z nowym narzędziem, aby kontynuować kolejne operacje obróbki. Proces ten jest podobny do ruchu narzędzia do pozycji roboczej, ale w przeciwnym kierunku. Wymaga on również precyzyjnego pozycjonowania i szybkiej reakcji, aby skrócić przestoje podczas obróbki i zwiększyć jej wydajność.
III. Etapy automatycznej wymiany narzędzi w centrach obróbczych CNC
(I) Ładowanie narzędzi
- Losowa metoda ładowania uchwytu narzędziowego
Ta metoda ładowania narzędzi charakteryzuje się stosunkowo dużą elastycznością. Operatorzy mogą umieszczać narzędzia w dowolnym uchwycie w magazynie narzędzi. Należy jednak pamiętać, że po zakończeniu instalacji narzędzia, numer uchwytu, w którym znajduje się narzędzie, musi zostać dokładnie zarejestrowany, aby system sterowania mógł precyzyjnie znaleźć i wywołać narzędzie zgodnie z instrukcjami programu w kolejnym procesie obróbki. Na przykład, w przypadku niektórych złożonych procesów obróbki form, narzędzia mogą wymagać częstej wymiany zgodnie z różnymi procedurami obróbki. W takim przypadku losowa metoda ładowania narzędzi pozwala wygodnie rozmieścić narzędzia w zależności od sytuacji i poprawić wydajność ładowania narzędzi. - Stała metoda ładowania uchwytu narzędziowego
W odróżnieniu od metody losowego załadunku narzędzi, metoda załadunku narzędzi stałych wymaga umieszczenia narzędzi w określonych, wstępnie ustawionych uchwytach. Zaletą tej metody jest to, że pozycje przechowywania narzędzi są stałe, co ułatwia operatorom zapamiętywanie i zarządzanie nimi, a także sprzyja szybkiemu pozycjonowaniu i wywoływaniu narzędzi przez system sterowania. W niektórych zadaniach przetwarzania w produkcji seryjnej, jeśli proces jest względnie stały, zastosowanie metody załadunku narzędzi stałych może poprawić stabilność i niezawodność przetwarzania oraz zmniejszyć liczbę wypadków spowodowanych nieprawidłowymi pozycjami przechowywania narzędzi.
(II) Wybór narzędzi
Wybór narzędzia jest kluczowym elementem procesu automatycznej wymiany narzędzi, a jego celem jest szybki i precyzyjny wybór odpowiedniego narzędzia z magazynu narzędzi, aby sprostać wymaganiom różnych procesów obróbki. Obecnie stosuje się głównie dwie następujące metody wyboru narzędzi:
- Sekwencyjny wybór narzędzi
Metoda sekwencyjnego doboru narzędzi wymaga od operatorów umieszczania narzędzi w uchwytach narzędziowych ściśle zgodnie z kolejnością procesu technologicznego podczas załadunku narzędzi. Podczas procesu obróbki system sterowania pobiera narzędzia jedno po drugim zgodnie z kolejnością ich umieszczania i umieszcza je z powrotem w oryginalnych uchwytach narzędziowych po użyciu. Zaletą tej metody doboru narzędzi jest jej prostota obsługi i niski koszt, a także to, że nadaje się do niektórych zadań obróbczych o stosunkowo prostych procesach obróbki i stałych sekwencjach użycia narzędzi. Na przykład, podczas obróbki niektórych prostych części wału, może być potrzebnych tylko kilka narzędzi w stałej sekwencji. W takim przypadku sekwencyjna metoda doboru narzędzi może spełnić wymagania obróbki i może obniżyć koszty i złożoność sprzętu. - Losowy wybór narzędzi
- Wybór narzędzia do kodowania uchwytu narzędziowego
Ta metoda wyboru narzędzi polega na zakodowaniu każdego uchwytu narzędzia w magazynie narzędzi, a następnie umieszczeniu narzędzi odpowiadających kodom uchwytu narzędzia w określonych uchwytach narzędzi, jedno po drugim. Podczas programowania operatorzy używają adresu T, aby określić kod uchwytu narzędzia, w którym znajduje się narzędzie. System sterowania steruje magazynem narzędzi, aby przesunąć odpowiednie narzędzie do pozycji zmiany narzędzia zgodnie z tymi informacjami kodowania. Zaletą metody wyboru narzędzi za pomocą kodowania uchwytu narzędzia jest to, że wybór narzędzia jest bardziej elastyczny i może dostosować się do niektórych zadań przetwarzania o stosunkowo złożonych procesach przetwarzania i zmiennych sekwencjach użycia narzędzi. Na przykład, podczas przetwarzania niektórych złożonych części lotniczych, narzędzia mogą wymagać częstej wymiany w zależności od różnych przetwarzanych części i wymagań procesu, a sekwencja użycia narzędzi jest zmienna. W takim przypadku metoda wyboru narzędzi za pomocą kodowania uchwytu narzędzia może wygodnie realizować szybki wybór i wymianę narzędzi oraz poprawić wydajność przetwarzania. - Wybór narzędzia pamięci komputera
Wybór narzędzi z pamięci komputerowej to bardziej zaawansowana i inteligentna metoda doboru narzędzi. W tej metodzie numery narzędzi i ich pozycje magazynowe lub numery uchwytów narzędziowych są odpowiednio zapamiętywane w pamięci komputera lub sterownika PLC. W przypadku konieczności wymiany narzędzi w trakcie procesu obróbki, system sterowania bezpośrednio pobiera informacje o położeniu narzędzi z pamięci, zgodnie z instrukcjami programu, i uruchamia magazyn narzędzi, aby szybko i precyzyjnie przemieścić narzędzia do pozycji wymiany. Ponadto, ponieważ zmiana adresu magazynu narzędzi jest zapamiętywana przez komputer w czasie rzeczywistym, narzędzia mogą być losowo pobierane i odsyłane z powrotem do magazynu, co znacznie poprawia efektywność zarządzania i elastyczność użytkowania narzędzi. Ta metoda doboru narzędzi jest szeroko stosowana w nowoczesnych, wysokoprecyzyjnych i wydajnych centrach obróbczych CNC, szczególnie w przypadku zadań obróbczych o złożonych procesach i z użyciem wielu typów narzędzi, takich jak obróbka bloków silników samochodowych i głowic cylindrów.
(III) Zmiana narzędzia
Proces wymiany narzędzi można podzielić na następujące sytuacje, zależnie od typu uchwytów narzędziowych narzędzia na wrzecionie i narzędzia, które ma zostać wymienione w magazynie narzędzi:
- Zarówno narzędzie na wrzecionie, jak i narzędzie do wymiany w magazynku narzędziowym znajdują się w losowych uchwytach narzędziowych
W tym przypadku proces wymiany narzędzia przebiega następująco: Najpierw magazyn narzędzi wykonuje operację wyboru narzędzia zgodnie z instrukcjami systemu sterowania, aby szybko przesunąć narzędzie do wymiany do pozycji zmiany narzędzia. Następnie manipulator dwuramienny wysuwa się, aby dokładnie chwycić nowe narzędzie w magazynie narzędzi i stare narzędzie na wrzecionie. Następnie stół wymiany narzędzi obraca się, aby obrócić nowe narzędzie i stare narzędzie do odpowiednich pozycji odpowiednio wrzeciona i magazynu narzędzi. Na koniec manipulator wkłada nowe narzędzie do wrzeciona i zaciska je, a jednocześnie umieszcza stare narzędzie w pustej pozycji magazynu narzędzi, aby zakończyć operację wymiany narzędzia. Ta metoda wymiany narzędzi charakteryzuje się stosunkowo dużą elastycznością i może dostosować się do różnych procesów obróbki i kombinacji narzędzi, ale ma wyższe wymagania dotyczące dokładności manipulatora i szybkości reakcji systemu sterowania. - Narzędzie na wrzecionie jest umieszczone w stałym uchwycie narzędziowym, a narzędzie, które ma zostać wymienione, znajduje się w losowym uchwycie narzędziowym lub stałym uchwycie narzędziowym
Proces doboru narzędzi jest podobny do opisanej powyżej metody losowego doboru narzędzi z użyciem uchwytu narzędziowego. Podczas wymiany narzędzia, po zdjęciu narzędzia z wrzeciona, magazyn narzędzi musi zostać wcześniej obrócony do określonej pozycji w celu przyjęcia narzędzia wrzecionowego, aby stare narzędzie mogło zostać precyzyjnie odesłane z powrotem do magazynu. Ta metoda wymiany narzędzi jest bardziej powszechna w przypadku niektórych zadań obróbczych o względnie stałych procesach obróbki i wysokiej częstotliwości użycia narzędzia wrzecionowego. Na przykład, w niektórych procesach obróbki otworów w produkcji seryjnej, określone wiertła lub rozwiertaki mogą być używane na wrzecionie przez długi czas. W takim przypadku umieszczenie narzędzia wrzecionowego w nieruchomym uchwycie narzędziowym może poprawić stabilność i wydajność obróbki. - Narzędzie na wrzecionie znajduje się w losowym uchwycie narzędziowym, a narzędzie do wymiany znajduje się w stałym uchwycie narzędziowym
Proces doboru narzędzi polega również na wybraniu określonego narzędzia z magazynu narzędzi zgodnie z wymaganiami procesu obróbki. Podczas wymiany narzędzia, narzędzie pobrane z wrzeciona zostanie wysłane do najbliższego pustego stanowiska narzędziowego w celu późniejszego użycia. Ta metoda wymiany narzędzi, w pewnym stopniu, uwzględnia elastyczność przechowywania narzędzi i wygodę zarządzania magazynem narzędzi. Jest ona odpowiednia dla niektórych zadań obróbczych o stosunkowo złożonych procesach obróbki, wielu rodzajach narzędzi i stosunkowo niskiej częstotliwości użycia niektórych narzędzi. Na przykład, w niektórych procesach obróbki form, można używać wielu narzędzi o różnych specyfikacjach, ale niektóre narzędzia specjalne są używane rzadziej. W takim przypadku umieszczenie tych narzędzi w stałych uchwytach narzędziowych i przechowywanie zużytych narzędzi na wrzecionie w pobliżu może poprawić wskaźnik wykorzystania przestrzeni magazynu narzędzi i wydajność wymiany narzędzi.
IV. Wnioski
Zasada i etapy automatycznej wymiany narzędzi w centrach obróbczych CNC to złożony i precyzyjny system inżynierii, obejmujący wiedzę techniczną z wielu dziedzin, takich jak konstrukcja mechaniczna, sterowanie elektryczne i programowanie. Dogłębne zrozumienie i opanowanie technologii automatycznej wymiany narzędzi ma ogromne znaczenie dla poprawy wydajności, dokładności i niezawodności urządzeń w centrach obróbczych CNC. Wraz z ciągłym rozwojem przemysłu wytwórczego i postępem technologicznym, urządzenia automatycznej wymiany narzędzi w centrach obróbczych CNC będą również stale udoskonalane i ulepszane, dążąc do zwiększenia prędkości, dokładności i inteligencji, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na obróbkę złożonych części i zapewnić silne wsparcie dla promowania transformacji i modernizacji przemysłu wytwórczego. W zastosowaniach praktycznych operatorzy powinni rozsądnie dobierać metody ładowania narzędzi, metody doboru narzędzi i strategie wymiany narzędzi, zgodnie z charakterystyką i wymaganiami zadań obróbczych, aby w pełni wykorzystać zalety centrów obróbczych CNC, poprawić wydajność produkcji i jakość produktu. Jednocześnie producenci sprzętu powinni również stale optymalizować procesy projektowania i produkcji urządzeń automatycznej wymiany narzędzi, aby poprawić wydajność i stabilność sprzętu oraz zapewnić użytkownikom wyższej jakości i bardziej wydajne rozwiązania w zakresie obróbki CNC.