Princip og trin for automatisk værktøjsskift i CNC-bearbejdningscentre
Resumé: Denne artikel uddyber i detaljer vigtigheden af den automatiske værktøjsskifteenhed i CNC-bearbejdningscentre, princippet for automatisk værktøjsskift og specifikke trin, herunder aspekter som værktøjspåfyldning, værktøjsvalg og værktøjsskift. Den har til formål at analysere den automatiske værktøjsskifteteknologi i dybden, give teoretisk støtte og praktisk vejledning til forbedring af bearbejdningseffektiviteten og nøjagtigheden i CNC-bearbejdningscentre, hjælpe operatører med bedre at forstå og mestre denne nøgleteknologi og derefter forbedre produktionseffektiviteten og produktkvaliteten.
I. Introduktion
Som nøgleudstyr i moderne produktion spiller CNC-bearbejdningscentre en afgørende rolle med deres automatiske værktøjsskifteenheder, skæreværktøjssystemer og automatiske palleskifteenheder. Anvendelsen af disse enheder gør det muligt for bearbejdningscentre at fuldføre bearbejdningen af flere forskellige dele af et emne efter én installation, hvilket reducerer fejlfri nedetid betydeligt, effektivt forkorter produktets fremstillingscyklus og har også betydelig betydning for at forbedre produkternes bearbejdningsnøjagtighed. Som den centrale del blandt dem er ydeevnen af den automatiske værktøjsskifteenhed direkte relateret til niveauet af bearbejdningseffektivitet. Derfor har dybdegående forskning i dens principper og trin vigtig praktisk værdi.
II. Princippet for automatisk værktøjsskift i CNC-bearbejdningscentre
(I) Grundlæggende proces for værktøjsskift
Selvom der findes forskellige typer værktøjsmagasiner i CNC-bearbejdningscentre, såsom skiveformede værktøjsmagasiner og kædeformede værktøjsmagasiner, er den grundlæggende proces for værktøjsskift ensartet. Når den automatiske værktøjsskifteenhed modtager en værktøjsskiftinstruktion, starter hele systemet hurtigt værktøjsskifteprogrammet. Først stopper spindlen øjeblikkeligt med at rotere og stopper præcist ved den forudindstillede værktøjsskifteposition via et højpræcisionspositioneringssystem. Derefter aktiveres værktøjsafspændingsmekanismen for at bringe værktøjet på spindlen i en udskiftelig tilstand. I henhold til styresystemets instruktioner driver værktøjsmagasinet de tilsvarende transmissionsenheder for hurtigt og præcist at flytte det nye værktøj til værktøjsskiftepositionen og udfører også værktøjsafspændingsoperationen. Derefter reagerer dobbeltarmsmanipulatoren hurtigt for præcist at gribe både det nye og gamle værktøj på samme tid. Efter at værktøjsskiftebordet roterer til den korrekte position, installerer manipulatoren det nye værktøj på spindlen og placerer det gamle værktøj i den tomme position i værktøjsmagasinet. Endelig udfører spindlen fastspændingsfunktionen for at holde det nye værktøj fast og vender tilbage til den oprindelige bearbejdningsposition under instruktioner fra styresystemet, hvorved hele værktøjsskiftprocessen fuldføres.
(II) Analyse af værktøjsbevægelse
Under værktøjsskiftprocessen i bearbejdningscentret består værktøjets bevægelse hovedsageligt af fire hoveddele:
- Værktøjet stopper sammen med spindlen og bevæger sig til værktøjsskiftpositionen: Denne proces kræver, at spindlen stopper med at rotere hurtigt og præcist og bevæger sig til den specifikke værktøjsskiftposition via bevægelsessystemet i maskinværktøjets koordinatakser. Normalt opnås denne bevægelse af transmissionsmekanismen, såsom skrue-møtrikparret, der drives af motoren, for at sikre, at spindlens positioneringsnøjagtighed opfylder bearbejdningskravene.
- Værktøjets bevægelse i værktøjsmagasinet: Værktøjets bevægelsestilstand i værktøjsmagasinet afhænger af typen af værktøjsmagasin. For eksempel bevæger værktøjet sig i et kædeformet værktøjsmagasin til den angivne position sammen med kædens rotation. Denne proces kræver, at værktøjsmagasinets drivmotor præcist styrer kædens rotationsvinkel og hastighed for at sikre, at værktøjet kan nå værktøjsskiftepositionen nøjagtigt. I et skiveformet værktøjsmagasin opnås værktøjets positionering via værktøjsmagasinets rotationsmekanisme.
- Overførsel af værktøjsbevægelse med værktøjsskiftemanipulatoren: Bevægelsen af værktøjsskiftemanipulatoren er relativt kompleks, da den skal opnå både roterende og lineære bevægelser. Under værktøjsgribningen og værktøjsfrigørelsen skal manipulatoren nærme sig og forlade værktøjet gennem en præcis lineær bevægelse. Dette opnås normalt ved hjælp af tandstangsmekanismen, der drives af en hydraulisk cylinder eller en luftcylinder, som derefter driver den mekaniske arm for at opnå lineær bevægelse. Under værktøjsudtrækningen og værktøjsindsætningen skal manipulatoren, udover lineær bevægelse, også udføre en bestemt rotationsvinkel for at sikre, at værktøjet problemfrit kan trækkes ud og indsættes i spindlen eller værktøjsmagasinet. Denne roterende bevægelse opnås gennem samarbejdet mellem den mekaniske arm og tandhjulsakslen, hvilket involverer konvertering af kinematiske par.
- Bevægelse af værktøjet tilbage til bearbejdningspositionen med 主轴: Når værktøjsskiftet er afsluttet, skal spindlen hurtigt vende tilbage til den oprindelige bearbejdningsposition med det nye værktøj for at fortsætte de efterfølgende bearbejdningsoperationer. Denne proces svarer til værktøjets bevægelse til værktøjsskiftpositionen, men i den modsatte retning. Det kræver også højpræcisionspositionering og en hurtig reaktion for at reducere nedetiden under bearbejdningsprocessen og forbedre bearbejdningseffektiviteten.
III. Trin i automatisk værktøjsskift i CNC-bearbejdningscentre
(I) Værktøjspåfyldning
- Tilfældig værktøjsholderindlæsningsmetode
Denne værktøjspåfyldningsmetode har relativt høj fleksibilitet. Operatører kan placere værktøjer i enhver værktøjsholder i værktøjsmagasinet. Det skal dog bemærkes, at efter værktøjsinstallationen er afsluttet, skal nummeret på den værktøjsholder, hvor værktøjet er placeret, registreres nøjagtigt, så styresystemet nøjagtigt kan finde og kalde værktøjet i henhold til programinstruktionerne i den efterfølgende behandlingsproces. For eksempel kan det i nogle komplekse formbehandlingsprocesser være nødvendigt at udskifte værktøjer ofte i henhold til forskellige behandlingsprocedurer. I dette tilfælde kan den tilfældige værktøjsholderpåfyldningsmetode bekvemt arrangere værktøjernes opbevaringspositioner i henhold til den faktiske situation og forbedre værktøjspåfyldningseffektiviteten. - Fast værktøjsholderindlæsningsmetode
I modsætning til den tilfældige værktøjsholderpåfyldningsmetode kræver den faste værktøjsholderpåfyldningsmetode, at værktøjer skal placeres i forudindstillede, specifikke værktøjsholdere. Fordelen ved denne metode er, at værktøjernes opbevaringspositioner er faste, hvilket er praktisk for operatører at huske og administrere, og det er også befordrende for hurtig positionering og kald af værktøjer af styresystemet. I nogle batchproduktionsopgaver, hvis behandlingsprocessen er relativt fast, kan anvendelsen af den faste værktøjsholderpåfyldningsmetode forbedre stabiliteten og pålideligheden af behandlingen og reducere behandlingsulykker forårsaget af forkerte værktøjsopbevaringspositioner.
(II) Valg af værktøj
Værktøjsvalg er et centralt led i den automatiske værktøjsskiftproces, og dets formål er hurtigt og præcist at vælge det specificerede værktøj fra værktøjsmagasinet for at imødekomme behovene i forskellige bearbejdningsprocedurer. I øjeblikket er der hovedsageligt følgende to almindelige værktøjsvalgsmetoder:
- Sekventiel værktøjsvalg
Den sekventielle værktøjsudvælgelsesmetode kræver, at operatører placerer værktøjer i værktøjsholderne i nøje overensstemmelse med den teknologiske process rækkefølge, når værktøjet ilægges. Under bearbejdningsprocessen tager styresystemet værktøjerne et efter et i henhold til værktøjernes placeringsrækkefølge og sætter dem tilbage i de originale værktøjsholdere efter brug. Fordelen ved denne værktøjsudvælgelsesmetode er, at den er enkel at betjene og har en lav pris, og den er velegnet til nogle bearbejdningsopgaver med relativt simple bearbejdningsprocesser og faste værktøjsbrugssekvenser. For eksempel kan der ved bearbejdning af nogle simple akseldele kun være behov for et par værktøjer i en fast rækkefølge. I dette tilfælde kan den sekventielle værktøjsudvælgelsesmetode opfylde bearbejdningskravene og reducere udstyrets omkostninger og kompleksitet. - Tilfældigt værktøjsvalg
- Værktøjsholder Kodning Værktøjsvalg
Denne værktøjsudvælgelsesmetode involverer kodning af hver værktøjsholder i værktøjsmagasinet og derefter placering af de værktøjer, der svarer til værktøjsholderkoderne, i de angivne værktøjsholdere et efter et. Ved programmering bruger operatørerne adressen T til at angive den værktøjsholderkode, hvor værktøjet er placeret. Styresystemet driver værktøjsmagasinet til at flytte det tilsvarende værktøj til værktøjsskiftepositionen i henhold til denne kodningsinformation. Fordelen ved værktøjsholderkodningsmetoden er, at værktøjsudvælgelsen er mere fleksibel og kan tilpasses visse bearbejdningsopgaver med relativt komplekse bearbejdningsprocesser og ufaste værktøjsbrugssekvenser. For eksempel kan værktøjer i bearbejdningen af visse komplekse flydele f.eks. skulle udskiftes ofte i henhold til forskellige bearbejdningsdele og proceskrav, og værktøjsbrugssekvensen er ufast. I dette tilfælde kan værktøjsudvælgelsesmetode værktøjsholderkodning nemt realisere hurtig udvælgelse og udskiftning af værktøjer og forbedre bearbejdningseffektiviteten. - Valg af computerhukommelsesværktøj
Værktøjsvalg i computerhukommelsen er en mere avanceret og intelligent metode til værktøjsvalg. Med denne metode lagres værktøjsnumrene og deres lagerpositioner eller værktøjsholdernumre tilsvarende i computerens hukommelse eller i den programmerbare logiske styreenheds hukommelse. Når det er nødvendigt at skifte værktøj under bearbejdningsprocessen, vil styresystemet direkte hente værktøjernes positionsoplysninger fra hukommelsen i henhold til programinstruktionerne og styre værktøjsmagasinet for hurtigt og præcist at flytte værktøjerne til værktøjsskiftepositionen. Da ændringen af værktøjslageradressen kan huskes af computeren i realtid, kan værktøjer desuden tages ud og sendes tilbage tilfældigt i værktøjsmagasinet, hvilket forbedrer administrationseffektiviteten og brugsfleksibiliteten af værktøjer betydeligt. Denne metode til værktøjsvalg anvendes i vid udstrækning i moderne højpræcisions- og højeffektive CNC-bearbejdningscentre og er især velegnet til bearbejdningsopgaver med komplekse bearbejdningsprocesser og mange typer værktøjer, såsom bearbejdning af dele som bilmotorblokke og topstykker.
(III) Værktøjsskift
Værktøjsskiftprocessen kan opdeles i følgende situationer i henhold til typerne af værktøjsholdere på spindlen og det værktøj, der skal udskiftes i værktøjsmagasinet:
- Både værktøjet på spindlen og det værktøj, der skal udskiftes i værktøjsmagasinet, er i tilfældige værktøjsholdere.
I dette tilfælde er værktøjsskiftprocessen som følger: Først udfører værktøjsmagasinet værktøjsudvælgelsesoperationen i henhold til styresystemets instruktioner for hurtigt at flytte det værktøj, der skal udskiftes, til værktøjsskiftpositionen. Derefter forlænges dobbeltarmsmanipulatoren for præcist at gribe det nye værktøj i værktøjsmagasinet og det gamle værktøj på spindlen. Derefter roterer værktøjsskiftebordet for at rotere det nye værktøj og det gamle værktøj til de tilsvarende positioner for henholdsvis spindlen og værktøjsmagasinet. Til sidst indsætter manipulatoren det nye værktøj i spindlen og fastspænder det, og placerer samtidig det gamle værktøj i den tomme position i værktøjsmagasinet for at fuldføre værktøjsskiftoperationen. Denne værktøjsskiftmetode har relativt høj fleksibilitet og kan tilpasses forskellige bearbejdningsprocesser og værktøjskombinationer, men den har højere krav til manipulatorens nøjagtighed og styresystemets reaktionshastighed. - Værktøjet på spindlen er placeret i en fast værktøjsholder, og det værktøj, der skal udskiftes, er i en tilfældig værktøjsholder eller en fast værktøjsholder.
Værktøjsudvælgelsesprocessen ligner ovenstående metode til tilfældig værktøjsholderudvælgelse. Når man skifter værktøj, efter at værktøjet er taget fra spindlen, skal værktøjsmagasinet roteres på forhånd til den specifikke position til modtagelse af spindelværktøjet, så det gamle værktøj præcist kan sendes tilbage til værktøjsmagasinet. Denne værktøjsudskiftningsmetode er mere almindelig i nogle bearbejdningsopgaver med relativt faste bearbejdningsprocesser og høj brugsfrekvens for spindelværktøjet. For eksempel kan der i nogle batchproduktionsprocedurer til hulbearbejdning anvendes specifikke bor eller rivaler på spindlen i lang tid. I dette tilfælde kan placering af spindelværktøjet i en fast værktøjsholder forbedre bearbejdningens stabilitet og effektivitet. - Værktøjet på spindlen er i en tilfældig værktøjsholder, og det værktøj, der skal udskiftes, er i en fast værktøjsholder.
Værktøjsudvælgelsesprocessen består også i at vælge det specificerede værktøj fra værktøjsmagasinet i henhold til bearbejdningsprocessens krav. Når værktøjet skiftes, sendes det værktøj, der tages fra spindlen, til den nærmeste tomme værktøjsposition til senere brug. Denne værktøjsskiftemetode tager til en vis grad hensyn til fleksibiliteten ved værktøjsopbevaring og bekvemmeligheden ved værktøjsmagasinstyring. Den er velegnet til visse bearbejdningsopgaver med relativt komplekse bearbejdningsprocesser, adskillige typer værktøjer og relativt lave brugsfrekvenser for visse værktøjer. For eksempel kan der i nogle formbearbejdningsopgaver anvendes flere værktøjer med forskellige specifikationer, men nogle specialværktøjer bruges sjældnere. I dette tilfælde kan placering af disse værktøjer i faste værktøjsholdere og opbevaring af de brugte værktøjer på spindlen i nærheden forbedre pladsudnyttelsesgraden i værktøjsmagasinet og værktøjsskifteffektiviteten.
IV. Konklusion
Princippet og trinnene bag automatisk værktøjsskift i CNC-bearbejdningscentre er et komplekst og præcist systemudviklingsprojekt, der involverer teknisk viden inden for flere områder såsom mekanisk struktur, elektrisk styring og softwareprogrammering. Dybdegående forståelse og beherskelse af automatisk værktøjsskiftteknologi er af stor betydning for at forbedre bearbejdningseffektiviteten, bearbejdningsnøjagtigheden og udstyrets pålidelighed i CNC-bearbejdningscentre. Med den kontinuerlige udvikling af fremstillingsindustrien og teknologiske fremskridt vil de automatiske værktøjsskifteenheder i CNC-bearbejdningscentre også fortsætte med at innovere og forbedre sig og bevæge sig mod højere hastighed, højere nøjagtighed og stærkere intelligens for at imødekomme den voksende efterspørgsel efter bearbejdning af komplekse dele og yde stærk støtte til at fremme transformationen og opgraderingen af fremstillingsindustrien. I praktiske anvendelser bør operatører med rimelighed vælge værktøjsindlæsningsmetoder, værktøjsudvælgelsesmetoder og værktøjsskiftstrategier i henhold til bearbejdningsopgavernes egenskaber og krav for fuldt ud at udnytte fordelene ved CNC-bearbejdningscentre, forbedre produktionseffektiviteten og produktkvaliteten. Samtidig bør udstyrsproducenter også løbende optimere design- og fremstillingsprocesserne for automatiske værktøjsskifteenheder for at forbedre udstyrets ydeevne og stabilitet og give brugerne CNC-bearbejdningsløsninger af højere kvalitet og mere effektive.