Системи за автоматична смяна на инструмента

• Системите за автоматична смяна на инструментите не само пестят време, средства и труд на цеховете за металообработка, но и значително оптимизират производителността и безопасността
  
  
• Според вида на инструменталния магазин ATC системите могат да бъдат дискови, барабанни, верижни и т. н.
  
  
• Всеки тип автоматизирана система за смяна се отличава със специфични предимства и ограничения по отношение на капацитета за съхранение, скоростта и точността

Високоскоростното и динамично производство в наши дни непрекъснато търси начини за повишаване на ефективността, прецизността и производителността. Една от технологиите, които дават значителен принос в това направление, са системите за автоматична смяна на инструмента, използвани при обработващи машини и центри с ЦПУ. Популярни в англоезичната техническа литература с абревиатурата ATC (Automatic Tool Changers), тези решения значително подобряват скоростта и степента на автоматизация на съвременното оборудване за металорязане. В допълнение, те драстично намаляват грешките във връзка с ръчното подменяне на използваната инструментална екипировка и оптимизират точността на механичната обработка. Всичко това им отрежда ключова роля и в повишаването на надеждността на модерните производствени машини.

Същност, функции и компоненти

Системите за автоматична смяна на инструмента не само пестят време и труд на съвременните цехове за металообработка, но и значително оптимизират безопасността на технологичните операции. ATC решенията изпълняват ролята на спомагателни системи в обработващите конфигурации с централно програмно управление, като също се управляват от ЦПУ блока на машината или центъра, а основната им функция е да се грижат за бързата, сигурна и точна смяна на използвания инструмент без участието на оператор.

Една ATC система се състои от няколко ключови компонента:

• Инструментален магазин – модулен механизъм за съхранение на определен брой различни инструменти в (или в непосредствена близост до) машината;
  
  
• Унифицирани държачи за отделните инструменти;
  
  
• Автоматизирано приспособление за премахване на използвания в момента инструмент от основния държач на обработващия шпиндел, и подмяната му с необходимия следващ инструмент според ЦПУ програмата;
  
  
• Кодиращи пръстени – за обозначаване и разпознаване на отделните инструменти в магазина.
  
  

В системите за автоматична смяна се използват различни типове държачи за разнообразните инструменти, необходими за изпълнението на широк набор от операции за механична обработка с отнемане на материал, като челно или периферно фрезоване, резбонарязване, пробиване, разстъргване, райбероване, струговане, свредловане и др. Сред тях са специализирани държачи за закрепване на дорникови фрези, държачи със заключващ механизъм за червячни фрези, цанги с права опашка за затягане на пробивни и зенкероващи инструменти, цангови държачи с механизми на компресиране и/или опън за закрепване на метчици за нарязване на резби и др.

Основни типове системи

В зависимост от принципа си на работа и конструкцията си ATC системите биват няколко различни типа – с въртящи се ножодържачи, със сменяем шпиндел или с инструментален магазин. Предимство на последния тип е големият капацитет за съхранение на множество на брой инструменти. Самият магазин може да бъде разположен на работната маса, колона или опора, встрани или отгоре на шпинделния блок, както и извън работното поле на машината като самостоятелна конфигурация. Тази гъвкавост прави инструменталните магазини популярно и предпочитано от производителите и потребителите средство за автоматизирана смяна на инструментите.

Според типа на самия магазин ATC системите могат да бъдат дискови, барабанни, верижни и т. н. Първите се използват в машини, стандартно изискващи съхранението на по-малко от 30 инструмента, поради ограничения капацитет на конструкцията вследствие на кръглата форма. При верижните броят на инструментите (30 и повече, до над 100) се определя от конкретния дизайн и концепцията на производителя.

Има и още един показател, по който се различават отделните типове ATC системи на пазара, и това е методът за позициониране и избор на инструмента. При първия инструментите се подреждат според последователността им на използване от работната програма, като магазинът се завърта до позицията на следващия необходим инструмент, а вече използваният се връща в предишния слот. Вторият тип включва произволен избор на инструмент от магазина според моментното изискване на програмата, като за целта се използва метод за кодиране на отделните слотове и инструменти. Третият подход е базиран на памет за съхранение на данни за позицията на всеки инструмент и устройство за проверка на тази позиция, като не се държи на връщане на използваното приспособление задължително в първоначалния слот. Системата проследява единствено моментната комбинация от номер на инструмента и съдържащия го слот.

Най-общо се срещат пет основни типа ATC конфигурации в зависимост от организацията на магазина и типичния брой съхранявани инструменти:

• Със захващащ механизъм (gripping type) или подаващо рамо (arm type) и капацитет до 32 инструмента;
  
  
• С въртящ се барабан и капацитет до 30 инструмента;
  
  
• С верижен магазин и минимален капацитет от 32 (до над 100) инструмента;
  
  
• С барабанен магазин и капацитет от 32 до 64 инструмента
  
  
• С револверна глава и малък капацитет до 8 инструмента.

В практиката традиционно се използват няколко ключови типа системи за автоматизирана смяна според механизма на подаване – каруселни (ротационни), със захващащо приспособление, с подаващо рамо или верижни. Нека разгледаме и специфичните им предимства и приложения.

Предимства и приложения

Каруселните системи включват кръгъл хоризонтално разположен магазин с подобен на чадър механизъм за подаване на инструментите. Традиционно те са предназначени за 16 до 20 инструмента, а при смяната целият магазин се измества под шпиндела. След изваждане на използвания в момента инструмент и поставянето му в съответния слот, шпинделът се издига и отдалечава. След това магазинът се завърта, а при позициониране на желания инструмент директно под работния шпиндел, той отново се спуска, закрепва го, а магазинът се връща в изходна позиция.

Предимство на тази конфигурация е компактният дизайн, който позволява икономия на пространство в работната зона на машината. Ограниченият капацитет за съхранение на инструменти го прави подходящ за малки до средни по обем на производството машини с ЦПУ. Друго преимущество е сравнително по-ниската цена.

ATC системите със захващащ механизъм не разполагат със самостоятелно движещо се подаващо рамо, а взаимодействието между шпиндела и инструмента се осъществява директно от инструменталния магазин. Тази конфигурация е типична за резбонарезните машини, а капацитетът й традиционно е до 16 или 21 инструмента.

Обикновено системите от този тип включват еднокомпонентни комплекти държачи за инструменти от алуминиева сплав, които позволяват бързо сглобяване и подмяна.
В сравнение с други типове инструментални магазини, тук смяната на инструмента трае значително по-кратко, тъй като не се изисква допълнително движение на спомагателен механизъм, който да захване и подаде желания инструмент към шпиндела. При подмяна на два съседни инструмента работният цикъл на системата може да е под 1 секунда. Предимства на конфигурациите от този тип са ниският процент грешки, високата скорост и сравнително ниската цена.

Едни от най-популярните типове ATC решения в съвременната металообработка са тези с подаващо рамо. Те се срещат предимно при вертикалните обработващи центри. Капацитетът им обикновено е за 24 до 30 инструмента, като са подходящи за шпиндели с различни конуси – BT40, BT50 и др. Най-разпространеният дизайн при тези системи включва механизъм с двойно рамо за едновременно извършване на двете необходими при смяната операции – изваждане на използвания досега инструмент (и връщането му в съответния слот) и захващането и подаването на следващия. Тази специфична конфигурация позволява изключително бърза смяна, като цялата операция може да се извърши в рамките на под 2 секунди. Това значително намалява времето, в което машината работи на празен ход.

ATC системите с подаващо рамо са подходящи за широк набор от металообработващи машини, включително фрези и стругове с ЦПУ, както и многофункционални обработващи центри. Тези решения се отличават с нисък процент грешки и добро съотношение между цена, скорост и прецизност.

Верижните системи включват линеен магазин, при който инструментите се съхраняват последователно във верижна конфигурация. Подвижно рамо се придвижва по дължината на веригата, за да захване избрания инструмент и да го подаде към шпиндела.

Особеност на тези конфигурации е, че могат да се изпълняват в най-големи размери в сравнение с останалите типове. Капацитетът им също е значително по-голям, като при някои системи достига от 60 до 200 инструмента. Възможно е тясно специализиране на системата според изискванията на конкретната машина. Традиционно такива ATC решения се използват при големите вертикални обработващи центри, при стандартните 5-осни центри, хоризонталните модели, тези с двойна колона и др.

Подобно на системите с подаващо рамо, и верижните конфигурации са съвместими с разнообразни шпиндели с различни конуси.
Дисковите системи включват един или няколко магазина – големи дискове с множество захващащи механизми за инструменти по периферията. Подходящи са за малки и средни по обем производства. Индексирането на инструментите се извършване на база информация за тяхната позиция. Преимущество на тези решения в сравнение с верижните е по-високата скорост, което ги прави подходящи за приложения, изискващи едновременно бърза смяна и голям капацитет за съхранение.

Последният от споменатите често срещани типове ATC системи включва револверна глава и позволява смяна на до 8 инструмента. Използва се предимно при стругове с ЦПУ – револверни стругове с единична или двойна шейна, стругове от швейцарски тип и др. Системата се регулира посредством пневматичен механизъм, като инструментите се поставят в номерирани слотове върху револверната глава, която се върти по посока на часовниковата стрелка. Предимства са високата точност и повторяемост, а типични приложения – малки по обем производства, залагащи основно на стругова обработка.

Съображения при избора на система

Всеки тип система за автоматична смяна на инструмента се отличава със специфични предимства и ограничения, а изборът на оптимално решение зависи от няколко основни фактора, като капацитет на магазина за съхранение на инструменти, размер на машината, обем на продукцията и бюджет. Ето защо планирането на инвестиция в ATC изисква детайлно проучване на потребностите на конкретното оборудване и приложение.

Редица производители на металообработваща техника предлагат фабрично оборудвани с такива системи модели, но са налице и множество отделни варианти за функционално надграждане и модернизация на съществуващо оборудване с ЦПУ от по-старо поколение, както и за комбиниране на различни типове нови машини и ATC решения на фаза покупка.

При необходимост от стандартен вертикален или хоризонтален обработващ център логичен избор е система за автоматична смяна с едно или две подаващи рамена. Тези решения предлагат висока рентабилност благодарение на отличното си съотношение между точност, скорост на работа и цена.

Когато приложението изисква покупката на резбонарезна машина или център с ЦПУ, експертите препоръчват избор на система с директен захващащ механизъм и максимален капацитет за съхранение, която би осигурила бърза и гъвкава смяна и достъп до голям брой инструменти. За по-едрогабаритните машини с ЦПУ са подходящи верижните ATC системи, които традиционно са доста по-скъпи, но пък позволяват много по-детайлно персонализиране.

Изборът на оптимално автоматизирано решение гарантира на предприятията няколко основни ползи, сред които са: по-бърза, прецизна и последователна смяна на инструментите, висока точност и повторяемост при позициониране, значително редуциране на разходите за труд, разширен капацитет за локално съхранение на инструментална екипировка, многократно по-висока производителност и надеждност на обработката, намалени престои и не на последно място – повишена безопасност за персонала.

Съвременното поколение ATC системи на пазара се отличават с редица преимущества пред своите предшественици само от преди 1 – 2 десетилетия, включително по-компактен дизайн, улеснено конфигуриране, въвеждане в експлоатация и поддръжка, по-голяма здравина и устойчивост на удари, вибрации, надраскване, деформиране и други механични въздействия, висока издръжливост на влага, запрашаване и корозия, по-безопасна и надеждна работа, както и много по-ниски нива на шум.