Princip a kroky automatické výměny nástrojů v CNC obráběcích centrech
Abstrakt: Tento článek podrobně rozebírá význam zařízení pro automatickou výměnu nástrojů v CNC obráběcích centrech, princip automatické výměny nástrojů a specifické kroky, včetně aspektů, jako je vkládání nástrojů, výběr nástrojů a výměna nástrojů. Jeho cílem je hluboce analyzovat technologii automatické výměny nástrojů, poskytnout teoretickou podporu a praktické rady pro zlepšení efektivity a přesnosti obrábění CNC obráběcích center, pomoci obsluze lépe porozumět a zvládnout tuto klíčovou technologii a následně zvýšit efektivitu výroby a kvalitu výrobků.
I. Úvod
CNC obráběcí centra hrají klíčovou roli v moderní výrobě díky svým automatickým zařízením pro výměnu nástrojů, systémům řezných nástrojů a automatickým měničům palet. Použití těchto zařízení umožňuje obráběcím centrem dokončit zpracování více různých částí obrobku po jedné instalaci, což výrazně snižuje prostoje bez poruchy, efektivně zkracuje výrobní cyklus výrobku a má také významný význam pro zlepšení přesnosti zpracování výrobků. Výkon automatického zařízení pro výměnu nástrojů, jakožto klíčové součásti mezi nimi, přímo souvisí s úrovní efektivity zpracování. Proto má hloubkový výzkum jeho principu a kroků důležitou praktickou hodnotu.
II. Princip automatické výměny nástrojů v CNC obráběcích centrech
(I) Základní postup výměny nástroje
Přestože v CNC obráběcích centrech existují různé typy zásobníků nástrojů, jako jsou kotoučové zásobníky nástrojů a řetězové zásobníky nástrojů, základní proces výměny nástrojů je stejný. Když zařízení pro automatickou výměnu nástrojů obdrží instrukci k výměně nástroje, celý systém rychle spustí program výměny nástroje. Nejprve se vřeteno okamžitě zastaví a přesně se zastaví v přednastavené poloze pro výměnu nástroje pomocí vysoce přesného polohovacího systému. Následně se aktivuje mechanismus pro uvolnění nástroje, aby se nástroj na vřetenu dostal do vyměnitelného stavu. Mezitím, podle instrukcí řídicího systému, zásobník nástrojů pohání odpovídající převodová zařízení, aby rychle a přesně přesunul nový nástroj do polohy pro výměnu nástroje a také provedl operaci uvolnění nástroje. Poté dvouramenný manipulátor rychle zareaguje a přesně uchopí nový i starý nástroj současně. Poté, co se stůl pro výměnu nástrojů otočí do správné polohy, manipulátor nainstaluje nový nástroj na vřeteno a umístí starý nástroj do prázdné pozice zásobníku nástrojů. Nakonec vřeteno provede upnutí, aby pevně udrželo nový nástroj, a podle pokynů řídicího systému se vrátí do počáteční polohy pro obrábění, čímž dokončí celý proces výměny nástroje.
(II) Analýza pohybu nástroje
Během procesu výměny nástroje v obráběcím centru se pohyb nástroje skládá hlavně ze čtyř klíčových částí:
- Nástroj se zastaví s vřetenem a přesune se do polohy pro výměnu nástroje: Tento proces vyžaduje, aby se vřeteno rychle a přesně zastavilo a přesunulo se do specifické polohy pro výměnu nástroje pomocí pohyblivého systému souřadnicových os obráběcího stroje. Tohoto pohybu se obvykle dosahuje převodovým mechanismem, jako je pár šroubů a matic poháněný motorem, aby se zajistilo, že přesnost polohování vřetena splňuje požadavky na zpracování.
- Pohyb nástroje v zásobníku nástrojů: Režim pohybu nástroje v zásobníku nástrojů závisí na typu zásobníku nástrojů. Například v řetězovém zásobníku nástrojů se nástroj pohybuje do určené polohy spolu s otáčením řetězu. Tento proces vyžaduje, aby hnací motor zásobníku nástrojů přesně řídil úhel natočení a rychlost řetězu, aby se zajistilo, že nástroj může přesně dosáhnout polohy pro výměnu nástroje. V kotoučovém zásobníku nástrojů se polohování nástroje dosahuje pomocí otočného mechanismu zásobníku nástrojů.
- Přesun nástroje pomocí manipulátoru pro výměnu nástroje: Pohyb manipulátoru pro výměnu nástroje je relativně složitý, protože vyžaduje rotační i lineární pohyb. Během fází uchopení a uvolnění nástroje se manipulátor musí k nástroji přiblížit a od něj odejít pomocí přesného lineárního pohybu. Toho se obvykle dosahuje pomocí ozubeného mechanismu poháněného hydraulickým válcem nebo vzduchovým válcem, který poté pohání mechanické rameno pro dosažení lineárního pohybu. Během fází vytahování a vkládání nástroje musí manipulátor kromě lineárního pohybu také provést určitý úhel natočení, aby bylo možné nástroj plynule vytáhnout a vložit do vřetena nebo zásobníku nástrojů. Tohoto rotačního pohybu se dosahuje spoluprací mezi mechanickým ramenem a hřídelí ozubeného kola, což zahrnuje převod kinematických párů.
- Návrat nástroje do pozice pro výměnu nástroje: Po dokončení výměny nástroje se vřeteno musí rychle vrátit do původní pozice pro výměnu nástroje, aby se mohly pokračovat následné operace. Tento proces je podobný pohybu nástroje do pozice pro výměnu nástroje, ale v opačném směru. Vyžaduje také vysoce přesné polohování a rychlou reakci, aby se zkrátily prostoje během procesu zpracování a zvýšila se efektivita zpracování.
III. Kroky automatické výměny nástrojů v CNC obráběcích centrech
(I) Zatížení nástroje
- Metoda vkládání náhodného držáku nástroje
Tato metoda vkládání nástrojů má relativně vysokou flexibilitu. Obsluha může nástroje umístit do libovolného držáku nástrojů v zásobníku nástrojů. Je však třeba poznamenat, že po dokončení instalace nástroje musí být přesně zaznamenáno číslo držáku nástroje, ve kterém se nástroj nachází, aby řídicí systém mohl nástroj přesně najít a vyvolat podle pokynů programu v následném procesu zpracování. Například při některých složitých procesech zpracování forem může být nutné nástroje často měnit podle různých postupů zpracování. V tomto případě může metoda náhodného vkládání držáků nástrojů pohodlně uspořádat skladovací pozice nástrojů podle skutečné situace a zlepšit efektivitu vkládání nástrojů. - Metoda vkládání pevného držáku nástroje
Na rozdíl od metody vkládání do náhodného držáku nástrojů vyžaduje metoda vkládání do pevného držáku nástrojů, aby nástroje byly umístěny do předem definovaných držáků nástrojů. Výhodou této metody je, že úložné pozice nástrojů jsou pevné, což je pro obsluhu snadné si je zapamatovat a spravovat, a také to vede k rychlému polohování a vyvolání nástrojů řídicím systémem. V některých úlohách dávkového zpracování, pokud je proces zpracování relativně pevný, může použití metody vkládání do pevného držáku nástrojů zlepšit stabilitu a spolehlivost zpracování a snížit počet nehod způsobených nesprávnými úložnými polohami nástrojů.
(II) Výběr nástroje
Výběr nástroje je klíčovým článkem v procesu automatické výměny nástrojů a jeho účelem je rychle a přesně vybrat specifikovaný nástroj ze zásobníku nástrojů tak, aby splňoval potřeby různých obráběcích postupů. V současné době existují hlavně následující dvě běžné metody výběru nástroje:
- Sekvenční výběr nástroje
Metoda sekvenčního výběru nástrojů vyžaduje, aby operátoři umisťovali nástroje do držáků nástrojů v přesném souladu s postupem technologického procesu při vkládání nástrojů. Během procesu zpracování řídicí systém odebírá nástroje jeden po druhém podle pořadí umístění nástrojů a po použití je vrací zpět do původních držáků nástrojů. Výhodou této metody výběru nástrojů je, že se snadno ovládá a má nízké náklady a je vhodná pro některé úkoly zpracování s relativně jednoduchými procesy zpracování a pevným pořadím použití nástrojů. Například při zpracování některých jednoduchých hřídelových součástí může být potřeba pouze několik nástrojů v pevném pořadí. V tomto případě může metoda sekvenčního výběru nástrojů splnit požadavky na zpracování a snížit náklady a složitost zařízení. - Náhodný výběr nástroje
- Kódování držáku nástroje Výběr nástroje
Tato metoda výběru nástroje zahrnuje kódování každého držáku nástroje v zásobníku nástrojů a následné vkládání nástrojů odpovídajících kódům držáků nástrojů do specifikovaných držáků nástrojů jeden po druhém. Při programování operátoři používají adresu T k určení kódu držáku nástroje, ve kterém se nástroj nachází. Řídicí systém řídí zásobník nástrojů tak, aby posunul odpovídající nástroj do pozice pro výměnu nástroje podle těchto kódovacích informací. Výhodou metody výběru nástroje s kódováním držáku nástroje je, že výběr nástroje je flexibilnější a lze jej přizpůsobit některým úlohám zpracování s relativně složitými procesy zpracování a nefixovanými sekvencemi použití nástrojů. Například při zpracování některých složitých leteckých dílů může být nutné nástroje často měnit podle různých požadavků na zpracování dílů a procesu a sekvence použití nástrojů je nefixní. V tomto případě může metoda výběru nástroje s kódováním držáku nástroje pohodlně realizovat rychlý výběr a výměnu nástrojů a zlepšit efektivitu zpracování. - Výběr nástroje pro paměť počítače
Výběr nástrojů z paměti počítače je pokročilejší a inteligentnější metoda výběru nástrojů. Při této metodě se čísla nástrojů a jejich úložné pozice nebo čísla držáků nástrojů odpovídajícím způsobem ukládají do paměti počítače nebo do paměti programovatelného logického automatu. Pokud je nutné během procesu zpracování vyměnit nástroje, řídicí systém podle pokynů programu přímo získá informace o poloze nástrojů z paměti a nastartuje zásobník nástrojů tak, aby nástroje rychle a přesně přesunul do pozice pro výměnu nástrojů. Navíc, protože si počítač může v reálném čase pamatovat změnu adresy úložiště nástrojů, lze nástroje náhodně vyjímat a vracet do zásobníku nástrojů, což výrazně zlepšuje efektivitu správy a flexibilitu používání nástrojů. Tato metoda výběru nástrojů se široce používá v moderních vysoce přesných a vysoce účinných CNC obráběcích centrech, zejména pro obráběcí úlohy se složitými procesy a řadou typů nástrojů, jako je obrábění dílů, jako jsou bloky motorů automobilů a hlavy válců.
(III) Výměna nástroje
Proces výměny nástroje lze rozdělit do následujících situací podle typů držáků nástrojů na vřetenu a nástroje, který má být vyměněn v zásobníku nástrojů:
- Nástroj na vřetenu i nástroj, který má být vyměněn v zásobníku nástrojů, jsou v náhodných držácích nástrojů.
V tomto případě je proces výměny nástroje následující: Nejprve zásobník nástrojů provede operaci výběru nástroje podle pokynů řídicího systému, aby rychle přesunul vyměňovaný nástroj do pozice pro výměnu nástroje. Poté se dvouramenný manipulátor vysune, aby přesně uchopil nový nástroj v zásobníku nástrojů a starý nástroj na vřetenu. Následně se stůl pro výměnu nástrojů otočí, aby otočil nový a starý nástroj do odpovídajících pozic vřetena a zásobníku nástrojů. Nakonec manipulátor vloží nový nástroj do vřetena a upne jej a zároveň umístí starý nástroj do prázdné pozice v zásobníku nástrojů, aby dokončil operaci výměny nástroje. Tato metoda výměny nástroje má relativně vysokou flexibilitu a lze ji přizpůsobit různým procesům zpracování a kombinacím nástrojů, ale má vyšší požadavky na přesnost manipulátoru a rychlost odezvy řídicího systému. - Nástroj na vřetenu je umístěn v pevném držáku nástrojů a nástroj, který má být vyměněn, je v náhodném držáku nástrojů nebo v pevném držáku nástrojů.
Proces výběru nástroje je podobný výše uvedené metodě výběru nástroje s náhodným držákem nástroje. Při výměně nástroje je třeba po jeho vyjmutí z vřetena zásobník nástrojů předem otočit do specifické polohy pro přijetí vřetena, aby bylo možné starý nástroj přesně vrátit zpět do zásobníku nástrojů. Tato metoda výměny nástroje je běžnější u některých obráběcích úloh s relativně pevnými obráběcími procesy a vysokou frekvencí používání vřetena. Například u některých postupů obrábění otvorů v dávkové výrobě mohou být na vřetenu po dlouhou dobu používány specifické vrtáky nebo výstružníky. V tomto případě může umístění vřetena do pevného držáku nástroje zlepšit stabilitu a efektivitu obrábění. - Nástroj na vřetenu je v náhodném držáku nástrojů a nástroj, který má být vyměněn, je v pevném držáku nástrojů.
Proces výběru nástroje spočívá také ve výběru specifikovaného nástroje ze zásobníku nástrojů podle požadavků procesu zpracování. Při výměně nástroje bude nástroj vyjmutý z vřetena odeslán na nejbližší volnou pozici pro nástroje k následnému použití. Tato metoda výměny nástroje do určité míry zohledňuje flexibilitu skladování nástrojů a pohodlí správy zásobníku nástrojů. Je vhodná pro některé úkoly zpracování s relativně složitými procesy zpracování, mnoha typy nástrojů a relativně nízkou frekvencí používání některých nástrojů. Například při některých obráběcích operacích forem lze použít více nástrojů s různými specifikacemi, ale některé speciální nástroje se používají méně často. V tomto případě může umístění těchto nástrojů do pevných držáků nástrojů a uložení použitých nástrojů na vřeteno v blízkosti zlepšit míru využití prostoru v zásobníku nástrojů a efektivitu výměny nástrojů.
IV. Závěr
Princip a kroky automatické výměny nástrojů v CNC obráběcích centrech představují komplexní a přesné systémové inženýrství, které zahrnuje technické znalosti v mnoha oblastech, jako je mechanická konstrukce, elektrické řízení a softwarové programování. Hluboké pochopení a zvládnutí technologie automatické výměny nástrojů má velký význam pro zlepšení efektivity zpracování, přesnosti zpracování a spolehlivosti zařízení CNC obráběcích center. S neustálým rozvojem výrobního průmyslu a technologickým pokrokem se budou i zařízení pro automatickou výměnu nástrojů CNC obráběcích center nadále inovovat a zlepšovat, směřujíc k vyšší rychlosti, vyšší přesnosti a silnější inteligenci, aby uspokojily rostoucí poptávku po zpracování složitých dílů a poskytly silnou podporu pro transformaci a modernizaci výrobního průmyslu. V praktických aplikacích by operátoři měli rozumně volit metody vkládání nástrojů, metody výběru nástrojů a strategie výměny nástrojů podle charakteristik a požadavků obráběcích úkolů, aby plně využili výhody CNC obráběcích center, zlepšili efektivitu výroby a kvalitu výrobků. Výrobci zařízení by zároveň měli také neustále optimalizovat konstrukční a výrobní procesy zařízení pro automatickou výměnu nástrojů, aby zlepšili výkon a stabilitu zařízení a poskytli uživatelům kvalitnější a efektivnější řešení CNC obrábění.