اصول و مراحل تعویض خودکار ابزار در مراکز ماشینکاری CNC
چکیده: این مقاله به تفصیل در مورد اهمیت دستگاه تعویض ابزار خودکار در مراکز ماشینکاری CNC، اصل تعویض ابزار خودکار و مراحل خاص، از جمله جنبه‌هایی مانند بارگذاری ابزار، انتخاب ابزار و تعویض ابزار، توضیح می‌دهد. هدف آن تجزیه و تحلیل عمیق فناوری تعویض ابزار خودکار، ارائه پشتیبانی نظری و راهنمایی عملی برای بهبود کارایی و دقت پردازش مراکز ماشینکاری CNC، کمک به اپراتورها برای درک بهتر و تسلط بر این فناوری کلیدی و سپس افزایش کارایی تولید و کیفیت محصول است.
مقدمه
مراکز ماشینکاری CNC به عنوان تجهیزات کلیدی در تولید مدرن، با دستگاه‌های تعویض ابزار خودکار، سیستم‌های ابزار برش و دستگاه‌های تعویض پالت خودکار خود، نقش حیاتی ایفا می‌کنند. کاربرد این دستگاه‌ها، مراکز ماشینکاری را قادر می‌سازد تا پردازش چندین بخش مختلف از یک قطعه کار را پس از یک نصب تکمیل کنند، زمان توقف بدون نقص را تا حد زیادی کاهش دهند، چرخه تولید محصول را به طور موثر کوتاه کنند و همچنین اهمیت قابل توجهی در بهبود دقت پردازش محصولات داشته باشند. به عنوان بخش اصلی در میان آنها، عملکرد دستگاه تعویض ابزار خودکار به طور مستقیم با سطح راندمان پردازش مرتبط است. بنابراین، تحقیقات عمیق در مورد اصول و مراحل آن دارای ارزش عملی مهمی است.
دوم. اصل تعویض خودکار ابزار در مراکز ماشینکاری CNC
(I) فرآیند اساسی تعویض ابزار
اگرچه انواع مختلفی از محفظه‌های ابزار در مراکز ماشینکاری CNC وجود دارد، مانند محفظه‌های ابزار دیسکی و محفظه‌های ابزار زنجیری، اما فرآیند اساسی تعویض ابزار ثابت است. هنگامی که دستگاه تعویض ابزار خودکار، دستورالعمل تعویض ابزار را دریافت می‌کند، کل سیستم به سرعت برنامه تعویض ابزار را شروع می‌کند. ابتدا، اسپیندل بلافاصله چرخش را متوقف می‌کند و از طریق یک سیستم موقعیت‌یابی با دقت بالا، در موقعیت از پیش تعیین‌شده تعویض ابزار متوقف می‌شود. متعاقباً، مکانیزم باز کردن گیره ابزار فعال می‌شود تا ابزار روی اسپیندل در حالت قابل تعویض قرار گیرد. در همین حال، طبق دستورالعمل‌های سیستم کنترل، محفظه ابزار، دستگاه‌های انتقال مربوطه را برای جابجایی سریع و دقیق ابزار جدید به موقعیت تعویض ابزار هدایت می‌کند و همچنین عملیات باز کردن گیره ابزار را انجام می‌دهد. سپس، بازوی مکانیکی دو بازویی به سرعت عمل می‌کند تا همزمان ابزارهای جدید و قدیمی را به طور دقیق بگیرد. پس از چرخش میز تعویض ابزار به موقعیت صحیح، بازوی مکانیکی ابزار جدید را روی اسپیندل نصب می‌کند و ابزار قدیمی را در موقعیت خالی محفظه ابزار قرار می‌دهد. در نهایت، اسپیندل عمل گیره‌بندی را برای نگه‌داشتن محکم ابزار جدید انجام می‌دهد و تحت دستورالعمل‌های سیستم کنترل به موقعیت پردازش اولیه باز می‌گردد و بدین ترتیب کل فرآیند تعویض ابزار تکمیل می‌شود.
(II) تحلیل حرکت ابزار
در طول فرآیند تعویض ابزار در مرکز ماشینکاری، حرکت ابزار عمدتاً از چهار بخش کلیدی تشکیل شده است:
- ابزار با اسپیندل متوقف می‌شود و به موقعیت تغییر ابزار حرکت می‌کند: این فرآیند مستلزم آن است که اسپیندل به سرعت و با دقت چرخش را متوقف کند و از طریق سیستم متحرک محورهای مختصات دستگاه، به موقعیت تغییر ابزار خاص حرکت کند. معمولاً این حرکت توسط مکانیسم انتقال مانند جفت پیچ و مهره که توسط موتور هدایت می‌شوند، حاصل می‌شود تا اطمینان حاصل شود که دقت موقعیت‌یابی اسپیندل مطابق با الزامات پردازش است.
- حرکت ابزار در محفظه ابزار: نحوه حرکت ابزار در محفظه ابزار به نوع محفظه ابزار بستگی دارد. به عنوان مثال، در یک محفظه ابزار از نوع زنجیری، ابزار همراه با چرخش زنجیر به موقعیت مشخص شده حرکت می‌کند. این فرآیند مستلزم آن است که موتور محرک محفظه ابزار، زاویه چرخش و سرعت زنجیر را به طور دقیق کنترل کند تا اطمینان حاصل شود که ابزار می‌تواند به طور دقیق به موقعیت تغییر ابزار برسد. در یک محفظه ابزار از نوع دیسکی، موقعیت‌یابی ابزار از طریق مکانیسم چرخشی محفظه ابزار انجام می‌شود.
- حرکت انتقالی ابزار با بازوی تعویض ابزار: حرکت بازوی تعویض ابزار نسبتاً پیچیده است زیرا نیاز به دستیابی به هر دو حرکت چرخشی و خطی دارد. در طول مراحل گرفتن ابزار و رهاسازی ابزار، بازوی تعویض ابزار باید از طریق حرکت خطی دقیق به ابزار نزدیک و از آن دور شود. معمولاً این کار توسط مکانیزم چرخ‌دنده و پینیون که توسط یک سیلندر هیدرولیک یا یک سیلندر هوا هدایت می‌شود، انجام می‌شود که سپس بازوی مکانیکی را برای دستیابی به حرکت خطی به حرکت در می‌آورد. در طول مراحل بیرون کشیدن ابزار و قرار دادن ابزار، علاوه بر حرکت خطی، بازوی مکانیکی همچنین باید زاویه خاصی از چرخش را انجام دهد تا اطمینان حاصل شود که ابزار می‌تواند به راحتی از اسپیندل یا محفظه ابزار بیرون کشیده و وارد شود. این حرکت چرخشی از طریق همکاری بین بازوی مکانیکی و شفت چرخ‌دنده، شامل تبدیل جفت‌های سینماتیکی، حاصل می‌شود.
- حرکت ابزار برای بازگشت به موقعیت پردازش با ابزار جدید: پس از اتمام تعویض ابزار، اسپیندل باید به سرعت با ابزار جدید به موقعیت پردازش اولیه بازگردد تا عملیات پردازش بعدی ادامه یابد. این فرآیند مشابه حرکت ابزار برای حرکت به موقعیت تعویض ابزار است اما در جهت مخالف. همچنین به موقعیت‌یابی با دقت بالا و پاسخ سریع نیاز دارد تا زمان توقف در طول فرآیند پردازش کاهش یابد و راندمان پردازش بهبود یابد.
III. مراحل تعویض خودکار ابزار در مراکز ماشینکاری CNC
(۱) بارگذاری ابزار
- روش بارگذاری تصادفی نگهدارنده ابزار
این روش بارگذاری ابزار از انعطاف‌پذیری نسبتاً بالایی برخوردار است. اپراتورها می‌توانند ابزارها را در هر نگهدارنده ابزار در مخزن ابزار قرار دهند. با این حال، باید توجه داشت که پس از اتمام نصب ابزار، شماره نگهدارنده ابزار که ابزار در آن قرار دارد باید به طور دقیق ثبت شود تا سیستم کنترل بتواند ابزار را طبق دستورالعمل‌های برنامه در فرآیند پردازش بعدی به طور دقیق پیدا کرده و فراخوانی کند. به عنوان مثال، در برخی از پردازش‌های پیچیده قالب، ممکن است ابزارها طبق رویه‌های مختلف پردازش نیاز به تعویض مکرر داشته باشند. در این حالت، روش بارگذاری تصادفی نگهدارنده ابزار می‌تواند به راحتی موقعیت‌های ذخیره‌سازی ابزارها را مطابق با وضعیت واقعی مرتب کرده و راندمان بارگذاری ابزار را بهبود بخشد. - روش بارگذاری نگهدارنده ابزار ثابت
برخلاف روش بارگذاری تصادفی ابزارگیر، روش بارگذاری ثابت ابزارگیر مستلزم آن است که ابزارها در نگهدارنده‌های ابزار از پیش تعیین‌شده قرار گیرند. مزیت این روش این است که موقعیت‌های ذخیره‌سازی ابزارها ثابت هستند، که به خاطر سپردن و مدیریت آنها برای اپراتورها راحت است و همچنین برای موقعیت‌یابی سریع و فراخوانی ابزارها توسط سیستم کنترل مفید است. در برخی از وظایف پردازش تولید دسته‌ای، اگر فرآیند پردازش نسبتاً ثابت باشد، اتخاذ روش بارگذاری ثابت ابزارگیر می‌تواند پایداری و قابلیت اطمینان پردازش را بهبود بخشد و حوادث پردازش ناشی از موقعیت‌های نادرست ذخیره‌سازی ابزار را کاهش دهد.
(II) انتخاب ابزار
انتخاب ابزار یک حلقه کلیدی در فرآیند تعویض خودکار ابزار است و هدف آن انتخاب سریع و دقیق ابزار مشخص شده از مخزن ابزار برای برآوردن نیازهای روش‌های مختلف پردازش است. در حال حاضر، عمدتاً دو روش رایج انتخاب ابزار زیر وجود دارد:
- انتخاب ابزار متوالی
روش انتخاب متوالی ابزار مستلزم آن است که اپراتورها هنگام بارگیری ابزارها، ابزارها را دقیقاً مطابق با توالی فرآیند تکنولوژیکی در نگهدارنده‌های ابزار قرار دهند. در طول فرآیند پردازش، سیستم کنترل ابزارها را یکی یکی و بر اساس توالی قرارگیری ابزارها برداشته و پس از استفاده، آنها را در نگهدارنده‌های ابزار اصلی قرار می‌دهد. مزیت این روش انتخاب ابزار این است که کار با آن ساده و هزینه آن کم است و برای برخی از کارهای پردازشی با فرآیندهای پردازش نسبتاً ساده و توالی‌های استفاده از ابزار ثابت مناسب است. به عنوان مثال، در پردازش برخی از قطعات ساده شفت، ممکن است فقط به چند ابزار در یک توالی ثابت نیاز باشد. در این حالت، روش انتخاب متوالی ابزار می‌تواند الزامات پردازش را برآورده کرده و هزینه و پیچیدگی تجهیزات را کاهش دهد. - انتخاب تصادفی ابزار
- کدنویسی نگهدارنده ابزار، انتخاب ابزار
این روش انتخاب ابزار شامل کدگذاری هر نگهدارنده ابزار در محفظه ابزار و سپس قرار دادن ابزارهای مربوط به کدهای نگهدارنده ابزار، یکی یکی در نگهدارنده‌های ابزار مشخص شده است. هنگام برنامه‌ریزی، اپراتورها از آدرس T برای مشخص کردن کد نگهدارنده ابزار که ابزار در آن قرار دارد استفاده می‌کنند. سیستم کنترل، محفظه ابزار را هدایت می‌کند تا ابزار مربوطه را طبق این اطلاعات کدگذاری به موقعیت تغییر ابزار منتقل کند. مزیت روش انتخاب ابزار کدگذاری نگهدارنده ابزار این است که انتخاب ابزار انعطاف‌پذیرتر است و می‌تواند با برخی از وظایف پردازشی با فرآیندهای پردازش نسبتاً پیچیده و توالی‌های استفاده از ابزار نامشخص سازگار شود. به عنوان مثال، در پردازش برخی از قطعات پیچیده هوانوردی، ممکن است ابزارها بر اساس قطعات پردازشی مختلف و الزامات فرآیند، نیاز به تعویض مکرر داشته باشند و توالی استفاده از ابزار نامشخص باشد. در این حالت، روش انتخاب ابزار کدگذاری نگهدارنده ابزار می‌تواند به راحتی انتخاب و جایگزینی سریع ابزارها را محقق کرده و راندمان پردازش را بهبود بخشد. - انتخاب ابزار حافظه کامپیوتر
انتخاب ابزار حافظه کامپیوتر، روشی پیشرفته‌تر و هوشمندتر برای انتخاب ابزار است. در این روش، شماره ابزار و موقعیت‌های ذخیره‌سازی آنها یا شماره‌های نگهدارنده ابزار به طور متناظر در حافظه کامپیوتر یا حافظه کنترل‌کننده منطقی قابل برنامه‌ریزی ذخیره می‌شوند. هنگامی که در طول فرآیند پردازش، نیاز به تغییر ابزار باشد، سیستم کنترل مستقیماً اطلاعات موقعیت ابزارها را طبق دستورالعمل‌های برنامه از حافظه دریافت کرده و محفظه ابزار را برای انتقال سریع و دقیق ابزارها به موقعیت تغییر ابزار هدایت می‌کند. علاوه بر این، از آنجایی که تغییر آدرس ذخیره‌سازی ابزار می‌تواند توسط کامپیوتر به صورت بلادرنگ به خاطر سپرده شود، ابزارها می‌توانند به صورت تصادفی در محفظه ابزار برداشته شده و بازگردانده شوند و این امر تا حد زیادی کارایی مدیریت و انعطاف‌پذیری استفاده از ابزارها را بهبود می‌بخشد. این روش انتخاب ابزار به طور گسترده در مراکز ماشینکاری CNC مدرن با دقت و راندمان بالا استفاده می‌شود، به ویژه برای پردازش وظایف با فرآیندهای پردازش پیچیده و انواع مختلف ابزار، مانند پردازش قطعاتی مانند بلوک‌های موتور خودرو و سرسیلندرها، مناسب است.
(III) تغییر ابزار
فرآیند تعویض ابزار را می‌توان با توجه به انواع نگهدارنده‌های ابزار روی اسپیندل و ابزاری که قرار است در مخزن ابزار تعویض شود، به موقعیت‌های زیر تقسیم کرد:
- هم ابزار روی اسپیندل و هم ابزاری که قرار است در مخزن ابزار تعویض شود، در نگهدارنده‌های ابزار تصادفی قرار دارند.
در این حالت، فرآیند تعویض ابزار به شرح زیر است: ابتدا، محفظه ابزار، عملیات انتخاب ابزار را طبق دستورالعمل‌های سیستم کنترل انجام می‌دهد تا ابزار جایگزین شده را به سرعت به موقعیت تعویض ابزار منتقل کند. سپس، بازوی مکانیکی دو بازویی برای گرفتن دقیق ابزار جدید در محفظه ابزار و ابزار قدیمی روی اسپیندل باز می‌شود. در مرحله بعد، میز تعویض ابزار می‌چرخد تا ابزار جدید و ابزار قدیمی را به ترتیب به موقعیت‌های مربوطه اسپیندل و محفظه ابزار بچرخاند. در نهایت، بازوی مکانیکی ابزار جدید را در اسپیندل قرار داده و آن را محکم می‌کند و همزمان، ابزار قدیمی را در موقعیت خالی محفظه ابزار قرار می‌دهد تا عملیات تعویض ابزار تکمیل شود. این روش تعویض ابزار انعطاف‌پذیری نسبتاً بالایی دارد و می‌تواند با فرآیندهای مختلف پردازش و ترکیب ابزار سازگار شود، اما برای دقت بازوی مکانیکی و سرعت پاسخ سیستم کنترل، الزامات بالاتری دارد. - ابزار روی اسپیندل در یک نگهدارنده ابزار ثابت قرار دارد و ابزاری که قرار است جایگزین شود در یک نگهدارنده ابزار تصادفی یا یک نگهدارنده ابزار ثابت است.
فرآیند انتخاب ابزار مشابه روش انتخاب ابزار نگهدارنده تصادفی ابزار فوق است. هنگام تعویض ابزار، پس از برداشتن ابزار از روی اسپیندل، محفظه ابزار باید از قبل به موقعیت خاص برای دریافت ابزار اسپیندل چرخانده شود تا ابزار قدیمی بتواند به طور دقیق به محفظه ابزار بازگردانده شود. این روش تعویض ابزار در برخی از کارهای پردازشی با فرآیندهای پردازش نسبتاً ثابت و فرکانس‌های بالای استفاده از ابزار اسپیندل رایج‌تر است. به عنوان مثال، در برخی از روش‌های پردازش سوراخ تولید دسته‌ای، ممکن است از مته‌ها یا برقوهای خاص برای مدت طولانی روی اسپیندل استفاده شود. در این حالت، قرار دادن ابزار اسپیندل در یک نگهدارنده ابزار ثابت می‌تواند پایداری و کارایی پردازش را بهبود بخشد. - ابزار روی اسپیندل در یک نگهدارنده ابزار تصادفی قرار دارد و ابزاری که قرار است جایگزین شود در یک نگهدارنده ابزار ثابت قرار دارد
فرآیند انتخاب ابزار نیز شامل انتخاب ابزار مشخص شده از مخزن ابزار مطابق با الزامات فرآیند پردازش است. هنگام تعویض ابزار، ابزار برداشته شده از اسپیندل برای استفاده بعدی به نزدیکترین موقعیت ابزار خالی ارسال می‌شود. این روش تعویض ابزار، تا حدودی، انعطاف‌پذیری ذخیره‌سازی ابزار و راحتی مدیریت مخزن ابزار را در نظر می‌گیرد. این روش برای برخی از کارهای پردازشی با فرآیندهای پردازش نسبتاً پیچیده، انواع مختلف ابزار و فرکانس‌های استفاده نسبتاً کم برخی از ابزارها مناسب است. به عنوان مثال، در برخی از پردازش‌های قالب، ممکن است از ابزارهای متعدد با مشخصات مختلف استفاده شود، اما برخی از ابزارهای خاص کمتر استفاده می‌شوند. در این حالت، قرار دادن این ابزارها در نگهدارنده‌های ابزار ثابت و ذخیره ابزارهای استفاده شده روی اسپیندل در نزدیکی آن می‌تواند میزان استفاده از فضای مخزن ابزار و راندمان تعویض ابزار را بهبود بخشد.
چهارم. نتیجه‌گیری
اصل و مراحل تعویض ابزار خودکار در مراکز ماشینکاری CNC، یک مهندسی سیستم پیچیده و دقیق است که شامل دانش فنی در زمینه‌های مختلفی مانند ساختار مکانیکی، کنترل الکتریکی و برنامه‌نویسی نرم‌افزار می‌شود. درک عمیق و تسلط بر فناوری تعویض ابزار خودکار برای بهبود راندمان پردازش، دقت پردازش و قابلیت اطمینان تجهیزات مراکز ماشینکاری CNC از اهمیت بالایی برخوردار است. با توسعه مداوم صنعت تولید و پیشرفت فناوری، دستگاه‌های تعویض ابزار خودکار مراکز ماشینکاری CNC نیز به نوآوری و بهبود خود ادامه خواهند داد و به سمت سرعت بالاتر، دقت بالاتر و هوش قوی‌تر حرکت می‌کنند تا تقاضای رو به رشد برای پردازش قطعات پیچیده را برآورده کنند و پشتیبانی قوی برای ارتقای تحول و ارتقاء صنعت تولید ارائه دهند. در کاربردهای عملی، اپراتورها باید به طور منطقی روش‌های بارگذاری ابزار، روش‌های انتخاب ابزار و استراتژی‌های تعویض ابزار را با توجه به ویژگی‌ها و الزامات وظایف پردازش انتخاب کنند تا از مزایای مراکز ماشینکاری CNC به طور کامل استفاده کنند، راندمان تولید و کیفیت محصول را بهبود بخشند. در همین حال، تولیدکنندگان تجهیزات نیز باید به طور مداوم فرآیندهای طراحی و ساخت دستگاه‌های تعویض ابزار خودکار را بهینه کنند تا عملکرد و پایداری تجهیزات را بهبود بخشند و راه‌حل‌های ماشینکاری CNC با کیفیت بالاتر و کارآمدتر را در اختیار کاربران قرار دهند.