Принцип и этапы автоматической смены инструмента на обрабатывающих центрах с ЧПУ
Аннотация: В данной статье подробно рассматривается важность устройства автоматической смены инструмента в обрабатывающих центрах с ЧПУ, принцип автоматической смены инструмента и конкретные этапы, включая такие аспекты, как загрузка инструмента, его выбор и смена. Цель статьи – глубокий анализ технологии автоматической смены инструмента, предоставление теоретической поддержки и практических рекомендаций по повышению эффективности и точности обработки на обрабатывающих центрах с ЧПУ, помощь операторам в лучшем понимании и освоении этой ключевой технологии, а также повышение эффективности производства и качества продукции.
I. Введение
Будучи ключевым оборудованием современного производства, обрабатывающие центры с ЧПУ играют важнейшую роль благодаря своим устройствам автоматической смены инструмента, системам режущего инструмента и устройствам автоматической смены паллет. Применение этих устройств позволяет обрабатывающим центрам завершать обработку нескольких различных деталей заготовки после одной установки, значительно сокращая время простоя без сбоев, эффективно сокращая цикл изготовления продукции и оказывая существенное влияние на повышение точности обработки. Производительность устройства автоматической смены инструмента, являющегося ключевым элементом, напрямую связана с уровнем эффективности обработки. Поэтому углубленное исследование принципа работы и этапов его работы имеет важное практическое значение.
II. Принцип автоматической смены инструмента на обрабатывающих центрах с ЧПУ
(I) Основной процесс смены инструмента
Несмотря на то, что в обрабатывающих центрах с ЧПУ используются различные типы инструментальных магазинов, такие как дисковые и цепные, основной процесс смены инструмента одинаков. Когда устройство автоматической смены инструмента получает команду на смену инструмента, вся система быстро запускает программу смены инструмента. Сначала шпиндель немедленно останавливается и точно останавливается в заданном положении смены инструмента благодаря высокоточной системе позиционирования. Затем активируется механизм разжима инструмента, чтобы привести инструмент в состояние замены на шпинделе. Тем временем, согласно инструкциям системы управления, инструментальный магазин приводит в действие соответствующие передаточные устройства для быстрого и точного перемещения нового инструмента в положение смены инструмента, а также выполняет операцию разжима инструмента. Затем двуплечий манипулятор быстро действует, чтобы точно захватить как новый, так и старый инструмент одновременно. После того, как стол для смены инструмента поворачивается в нужное положение, манипулятор устанавливает новый инструмент на шпиндель и размещает старый инструмент в свободное положение инструментального магазина. Наконец, шпиндель выполняет зажимное действие, чтобы надежно удерживать новый инструмент, и возвращается в исходное положение обработки в соответствии с инструкциями системы управления, завершая таким образом весь процесс смены инструмента.
(II) Анализ движения инструмента
В процессе смены инструмента в обрабатывающем центре движение инструмента в основном состоит из четырех основных частей:
- Останавливает инструмент вместе со шпинделем и перемещает его в позицию смены инструмента: этот процесс требует быстрой и точной остановки вращения шпинделя и его перемещения в заданную позицию смены инструмента посредством системы перемещения осей координат станка. Обычно это перемещение осуществляется передаточным механизмом, таким как пара «винт-гайка», приводимая в движение двигателем, что обеспечивает точность позиционирования шпинделя в соответствии с требованиями обработки.
- Перемещение инструмента в инструментальном магазине: Способ перемещения инструмента в инструментальном магазине зависит от типа магазина. Например, в цепном инструментальном магазине инструмент перемещается в заданное положение вместе с вращением цепи. Этот процесс требует от приводного двигателя инструментального магазина точного управления углом поворота и скоростью цепи, чтобы обеспечить точное достижение инструментом позиции смены инструмента. В дисковом инструментальном магазине позиционирование инструмента осуществляется с помощью поворотного механизма инструментального магазина.
- Перевод инструмента в режим перемещения с помощью манипулятора смены инструмента: Движение манипулятора смены инструмента относительно сложно, поскольку оно должно обеспечивать как вращательные, так и линейные движения. На этапах захвата и освобождения инструмента манипулятор должен приближаться к инструменту и отходить от него посредством точного линейного движения. Обычно это достигается с помощью реечного механизма, приводимого в действие гидроцилиндром или пневмоцилиндром, который затем приводит в движение механическую руку для достижения линейного перемещения. На этапах извлечения и вставки инструмента, в дополнение к линейному перемещению, манипулятор также должен выполнять определенный угол поворота, чтобы гарантировать, что инструмент может быть плавно извлечен из шпинделя или инструментального магазина и вставлен в них. Это вращательное движение достигается за счет взаимодействия между механической рукой и валом-шестерней, включающего преобразование кинематических пар.
- Возврат инструмента в позицию обработки с помощью инструмента: После завершения смены инструмента шпиндель необходимо быстро вернуть в исходное положение обработки с новым инструментом для продолжения последующих операций обработки. Этот процесс аналогичен перемещению инструмента в позицию смены инструмента, но в противоположном направлении. Он также требует высокоточного позиционирования и быстрого реагирования для сокращения времени простоя и повышения эффективности обработки.
III. Этапы автоматической смены инструмента на обрабатывающих центрах с ЧПУ
(I) Загрузка инструмента
- Метод случайной загрузки держателя инструмента
Этот метод загрузки инструмента обладает относительно высокой гибкостью. Операторы могут размещать инструменты в любом держателе инструмента в магазине. Однако следует отметить, что после установки инструмента необходимо точно записать номер держателя, в котором находится инструмент, чтобы система управления могла точно найти и вызвать инструмент в соответствии с инструкциями программы в ходе последующего процесса обработки. Например, при обработке некоторых сложных пресс-форм может потребоваться частая смена инструментов в соответствии с различными процедурами обработки. В этом случае метод случайной загрузки держателей инструмента позволяет удобно организовать места хранения инструментов в соответствии с фактической ситуацией и повысить эффективность загрузки инструмента. - Метод загрузки фиксированного держателя инструмента
В отличие от метода случайной загрузки держателей инструмента, метод фиксированной загрузки держателей инструмента требует установки инструментов в заранее заданные держатели. Преимущество этого метода заключается в фиксированном положении инструментов в памяти, что удобно для оператора, а также способствует быстрому позиционированию и вызову инструментов системой управления. В некоторых задачах серийного производства, если процесс обработки относительно фиксирован, применение метода фиксированной загрузки держателей инструмента может повысить стабильность и надежность обработки, а также снизить количество несчастных случаев, вызванных неправильным положением инструментов в памяти.
(II) Выбор инструмента
Выбор инструмента является ключевым звеном в процессе автоматической смены инструмента и предназначен для быстрого и точного выбора необходимого инструмента из инструментального магазина в соответствии с требованиями различных технологических процессов. В настоящее время наиболее распространены два следующих метода выбора инструмента:
- Последовательный выбор инструмента
Метод последовательного выбора инструмента требует от операторов размещения инструментов в держателях в строгом соответствии с последовательностью технологического процесса при загрузке инструментов. В процессе обработки система управления будет брать инструменты один за другим в соответствии с последовательностью размещения инструментов и возвращать их в исходные держатели после использования. Преимущество этого метода выбора инструмента заключается в простоте эксплуатации и низкой стоимости, а также в том, что он подходит для некоторых задач обработки с относительно простыми процессами обработки и фиксированной последовательностью использования инструментов. Например, при обработке некоторых простых деталей вала может потребоваться всего несколько инструментов в фиксированной последовательности. В этом случае метод последовательного выбора инструмента может удовлетворить требованиям обработки и может снизить стоимость и сложность оборудования. - Случайный выбор инструмента
- Выбор инструмента для кодирования держателя инструмента
Этот метод выбора инструмента включает кодирование каждого держателя инструмента в инструментальном магазине, а затем установку инструментов, соответствующих кодам держателя инструмента, в указанные держатели инструмента один за другим. При программировании операторы используют адрес T для указания кода держателя инструмента, где находится инструмент. Система управления управляет инструментальным магазином для перемещения соответствующего инструмента в позицию смены инструмента в соответствии с этой кодировочной информацией. Преимущество метода выбора инструмента по кодированию держателя инструмента заключается в том, что выбор инструмента более гибок и может адаптироваться к некоторым задачам обработки с относительно сложными процессами обработки и нефиксированной последовательностью использования инструмента. Например, при обработке некоторых сложных авиационных деталей может потребоваться частая замена инструментов в соответствии с различными деталями обработки и требованиями к процессу, а последовательность использования инструмента нефиксированная. В этом случае метод выбора инструмента по кодированию держателя инструмента может удобно реализовать быстрый выбор и замену инструментов и повысить эффективность обработки. - Выбор инструмента для памяти компьютера
Выбор инструмента из памяти компьютера – более продвинутый и интеллектуальный метод выбора инструмента. При этом номера инструментов и их позиции хранения или номера держателей инструментов соответственно запоминаются в памяти компьютера или памяти программируемого логического контроллера. При необходимости смены инструментов в процессе обработки система управления напрямую получает информацию о положении инструментов из памяти в соответствии с инструкциями программы и управляет инструментальным магазином для быстрого и точного перемещения инструментов в позицию смены инструмента. Более того, поскольку компьютер запоминает изменение адреса хранения инструментов в режиме реального времени, инструменты могут извлекаться и возвращаться в инструментальный магазин в произвольном порядке, что значительно повышает эффективность управления и гибкость использования инструментов. Этот метод выбора инструмента широко используется в современных высокоточных и высокопроизводительных обрабатывающих центрах с ЧПУ, особенно подходит для сложных технологических процессов и обработки различных типов инструментов, например, для обработки таких деталей, как блоки автомобильных двигателей и головки блока цилиндров.
(III) Смена инструмента
Процесс смены инструмента можно разделить на следующие ситуации в зависимости от типов держателей инструмента на шпинделе и заменяемого инструмента в инструментальном магазине:
- Как инструмент на шпинделе, так и инструмент, подлежащий замене в инструментальном магазине, находятся в случайных держателях инструментов.
В этом случае процесс смены инструмента выглядит следующим образом: во-первых, инструментальный магазин выполняет операцию выбора инструмента в соответствии с инструкциями системы управления, чтобы быстро переместить заменяемый инструмент в позицию смены инструмента. Затем двуплечий манипулятор выдвигается, чтобы точно захватить новый инструмент в инструментальном магазине и старый инструмент в шпинделе. Затем стол смены инструмента вращается, чтобы повернуть новый инструмент и старый инструмент в соответствующие позиции шпинделя и инструментального магазина соответственно. Наконец, манипулятор вставляет новый инструмент в шпиндель и зажимает его, и в то же время помещает старый инструмент в пустую позицию инструментального магазина для завершения операции смены инструмента. Этот метод смены инструмента обладает относительно высокой гибкостью и может адаптироваться к различным процессам обработки и комбинациям инструментов, но он имеет более высокие требования к точности манипулятора и скорости отклика системы управления. - Инструмент на шпинделе помещается в фиксированный держатель инструмента, а заменяемый инструмент — в произвольный держатель инструмента или в фиксированный держатель инструмента.
Процесс выбора инструмента аналогичен описанному выше методу случайного выбора инструмента из держателя инструмента. При смене инструмента, после извлечения инструмента из шпинделя, магазин инструментов необходимо предварительно повернуть в определенное положение для приема инструмента шпинделя, чтобы старый инструмент можно было аккуратно вернуть обратно в магазин. Этот метод смены инструмента чаще встречается в некоторых задачах обработки с относительно фиксированными процессами обработки и высокой частотой использования инструмента шпинделя. Например, в некоторых операциях обработки отверстий в серийном производстве определенные сверла или развертки могут использоваться на шпинделе в течение длительного времени. В этом случае размещение инструмента шпинделя в фиксированном держателе инструмента может повысить стабильность и эффективность обработки. - Инструмент на шпинделе находится в случайном держателе, а инструмент, который необходимо заменить, находится в фиксированном держателе.
Процесс выбора инструмента также заключается в выборе указанного инструмента из инструментального магазина в соответствии с требованиями процесса обработки. При смене инструмента инструмент, извлеченный из шпинделя, будет отправлен на ближайшую свободную позицию инструмента для последующего использования. Этот метод смены инструмента в определенной степени учитывает гибкость хранения инструмента и удобство управления инструментальным магазином. Он подходит для некоторых задач обработки с относительно сложными процессами обработки, многочисленными типами инструментов и относительно низкой частотой использования некоторых инструментов. Например, при обработке некоторых пресс-форм могут использоваться несколько инструментов различных спецификаций, но некоторые специальные инструменты используются реже. В этом случае размещение этих инструментов в неподвижных держателях инструмента и хранение использованных инструментов на шпинделе поблизости может повысить коэффициент использования пространства инструментального магазина и эффективность смены инструмента.
IV. Заключение
Принцип и этапы автоматической смены инструмента на обрабатывающих центрах с ЧПУ представляют собой сложную и точную системную инженерию, требующую технических знаний в различных областях, таких как механическая конструкция, электронное управление и программирование. Глубокое понимание и освоение технологии автоматической смены инструмента имеют большое значение для повышения эффективности, точности и надежности оборудования обрабатывающих центров с ЧПУ. В условиях непрерывного развития обрабатывающей промышленности и технического прогресса устройства автоматической смены инструмента обрабатывающих центров с ЧПУ также будут продолжать совершенствоваться и модернизироваться, стремясь к более высокой скорости, точности и интеллектуальным возможностям для удовлетворения растущего спроса на обработку сложных деталей и обеспечения мощной поддержки трансформации и модернизации обрабатывающей промышленности. На практике операторы должны разумно выбирать методы загрузки, выбора и смены инструмента в соответствии с характеристиками и требованиями задач обработки, чтобы в полной мере использовать преимущества обрабатывающих центров с ЧПУ, повышать эффективность производства и качество продукции. В то же время, производители оборудования должны постоянно оптимизировать процессы проектирования и производства устройств автоматической смены инструмента для повышения производительности и стабильности оборудования и предоставления пользователям более качественных и эффективных решений для обработки с ЧПУ.