Das Prinzip und die Schritte des automatischen Werkzeugwechsels in CNC-Bearbeitungszentren

Prinzip und Schritte des automatischen Werkzeugwechsels in CNC-Bearbeitungszentren

I. Einleitung

II. Prinzip des automatischen Werkzeugwechsels in CNC-Bearbeitungszentren

(I) Grundlegender Prozess des Werkzeugwechsels

(II) Analyse der Werkzeugbewegung

• Das Werkzeug stoppt mit der Spindel und bewegt sich zur Werkzeugwechselposition: Bei diesem Vorgang muss die Spindel schnell und präzise anhalten und sich über das Bewegungssystem der Koordinatenachsen der Werkzeugmaschine zur spezifischen Werkzeugwechselposition bewegen. Normalerweise wird diese Bewegung durch einen Übertragungsmechanismus wie das vom Motor angetriebene Schrauben-Mutter-Paar erreicht, um sicherzustellen, dass die Positioniergenauigkeit der Spindel den Verarbeitungsanforderungen entspricht.
• Bewegung des Werkzeugs im Werkzeugmagazin: Die Bewegungsart des Werkzeugs im Werkzeugmagazin hängt von dessen Typ ab. Beispielsweise bewegt sich das Werkzeug in einem Kettenmagazin mit der Rotation der Kette zur vorgegebenen Position. Dieser Vorgang erfordert, dass der Antriebsmotor des Werkzeugmagazins Drehwinkel und Geschwindigkeit der Kette präzise steuert, um sicherzustellen, dass das Werkzeug die Werkzeugwechselposition präzise erreichen kann. In einem Scheibenmagazin erfolgt die Positionierung des Werkzeugs durch den Rotationsmechanismus des Werkzeugmagazins.
• Transferbewegung des Werkzeugs mit dem Werkzeugwechselmanipulator: Die Bewegung des Werkzeugwechselmanipulators ist relativ komplex, da er sowohl Dreh- als auch Linearbewegungen ausführen muss. Beim Greifen und Lösen des Werkzeugs muss sich der Manipulator dem Werkzeug durch präzise Linearbewegungen nähern und es wieder verlassen. Normalerweise wird dies durch einen Zahnstangenmechanismus erreicht, der von einem Hydraulikzylinder oder einem Luftzylinder angetrieben wird, der dann den mechanischen Arm antreibt, um eine Linearbewegung auszuführen. Beim Herausziehen und Einsetzen des Werkzeugs muss der Manipulator neben der Linearbewegung auch einen bestimmten Drehwinkel ausführen, um sicherzustellen, dass das Werkzeug reibungslos aus der Spindel oder dem Werkzeugmagazin herausgezogen und wieder eingesetzt werden kann. Diese Drehbewegung wird durch das Zusammenspiel zwischen dem mechanischen Arm und der Getriebewelle erreicht, wobei kinematische Paare umgewandelt werden.
• Bewegung des Werkzeugs zurück in die Bearbeitungsposition mit dem Werkzeugwechsel: Nach Abschluss des Werkzeugwechsels muss die Spindel mit dem neuen Werkzeug schnell in die ursprüngliche Bearbeitungsposition zurückkehren, um die nachfolgenden Bearbeitungsvorgänge fortzusetzen. Dieser Vorgang ähnelt der Bewegung des Werkzeugs zur Werkzeugwechselposition, jedoch in die entgegengesetzte Richtung. Auch hier sind eine hochpräzise Positionierung und eine schnelle Reaktion erforderlich, um Ausfallzeiten während des Bearbeitungsprozesses zu reduzieren und die Bearbeitungseffizienz zu verbessern.

III. Schritte des automatischen Werkzeugwechsels in CNC-Bearbeitungszentren

(I) Werkzeugbeladung

• Zufällige Lademethode für Werkzeughalter
  Diese Werkzeuglademethode bietet eine relativ hohe Flexibilität. Bediener können Werkzeuge in jeden beliebigen Werkzeughalter im Werkzeugmagazin einsetzen. Es ist jedoch zu beachten, dass nach Abschluss der Werkzeuginstallation die Nummer des Werkzeughalters, in dem sich das Werkzeug befindet, genau erfasst werden muss, damit die Steuerung das Werkzeug im nachfolgenden Bearbeitungsprozess gemäß den Programmanweisungen genau finden und aufrufen kann. Beispielsweise müssen Werkzeuge bei komplexen Formenbearbeitungen häufig entsprechend unterschiedlicher Bearbeitungsverfahren gewechselt werden. In diesem Fall kann die zufällige Werkzeughalterlademethode die Lagerpositionen der Werkzeuge bequem entsprechend der tatsächlichen Situation anordnen und die Werkzeugladeeffizienz verbessern.
• Feste Werkzeughalter-Lademethode
  Anders als bei der zufälligen Werkzeughalterbeladung müssen bei der festen Werkzeughalterbeladung die Werkzeuge in voreingestellten Werkzeughaltern platziert werden. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die Lagerpositionen der Werkzeuge fixiert sind, was für Bediener leicht zu merken und zu verwalten ist und zudem die schnelle Positionierung und Abfrage der Werkzeuge durch die Steuerung ermöglicht. Bei einigen Batch-Verarbeitungsaufgaben kann die Anwendung der festen Werkzeughalterbeladung, wenn der Verarbeitungsprozess relativ fixiert ist, die Stabilität und Zuverlässigkeit der Verarbeitung verbessern und Verarbeitungsunfälle durch falsche Werkzeuglagerpositionen reduzieren.

(II) Werkzeugauswahl

• Sequentielle Werkzeugauswahl
  Bei der sequentiellen Werkzeugauswahl müssen die Bediener die Werkzeuge beim Laden streng nach der Reihenfolge des technologischen Prozesses in die Werkzeughalter einsetzen. Während des Bearbeitungsprozesses entnimmt die Steuerung die Werkzeuge nacheinander entsprechend der Reihenfolge und setzt sie nach Gebrauch wieder in die ursprünglichen Werkzeughalter ein. Der Vorteil dieser Werkzeugauswahlmethode liegt in ihrer einfachen Handhabung und den geringen Kosten. Sie eignet sich für einige Bearbeitungsaufgaben mit relativ einfachen Bearbeitungsprozessen und festen Werkzeugnutzungsreihenfolgen. Beispielsweise werden bei der Bearbeitung einfacher Wellenteile möglicherweise nur wenige Werkzeuge in einer festen Reihenfolge benötigt. In diesem Fall kann die sequentielle Werkzeugauswahl die Bearbeitungsanforderungen erfüllen und die Kosten und Komplexität der Anlage reduzieren.
• Zufällige Werkzeugauswahl
• Werkzeughalter Kodierung Werkzeugauswahl
  Bei dieser Werkzeugauswahlmethode wird jeder Werkzeughalter im Werkzeugmagazin codiert und anschließend werden die Werkzeuge entsprechend der Werkzeughaltercodierung nacheinander in die angegebenen Werkzeughalter eingesetzt. Beim Programmieren geben die Bediener über die Adresse T den Werkzeughaltercode an, in dem sich das Werkzeug befindet. Die Steuerung steuert das Werkzeugmagazin entsprechend dieser Codierungsinformationen an, um das entsprechende Werkzeug in die Werkzeugwechselposition zu bewegen. Der Vorteil der Werkzeugauswahlmethode mit Werkzeughaltercodierung liegt in der flexibleren Werkzeugauswahl, die sich an Bearbeitungsaufgaben mit relativ komplexen Bearbeitungsprozessen und flexiblen Werkzeugeinsatzreihenfolgen anpassen lässt. Beispielsweise müssen bei der Bearbeitung komplexer Flugzeugteile Werkzeuge je nach Bearbeitungsteil und Prozessanforderungen häufig gewechselt werden, ohne dass die Werkzeugeinsatzreihenfolge festgelegt ist. In diesem Fall ermöglicht die Werkzeughaltercodierung eine schnelle Auswahl und einen schnellen Werkzeugwechsel und verbessert die Bearbeitungseffizienz.
• Auswahl des Computerspeichertools
  Die computergestützte Werkzeugauswahl ist eine fortschrittlichere und intelligentere Methode. Dabei werden die Werkzeugnummern und ihre Lagerpositionen bzw. Werkzeughalternummern im Speicher des Computers oder der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) gespeichert. Bei einem Werkzeugwechsel während des Bearbeitungsprozesses ruft die Steuerung die Werkzeugpositionen gemäß den Programmanweisungen direkt aus dem Speicher ab und steuert das Werkzeugmagazin so an, dass die Werkzeuge schnell und präzise zur Wechselposition transportiert werden. Da der Computer Änderungen der Werkzeugspeicheradresse in Echtzeit speichert, können Werkzeuge nach dem Zufallsprinzip aus dem Werkzeugmagazin entnommen und wieder zurückgelegt werden. Dies verbessert die Effizienz der Werkzeugverwaltung und die Flexibilität bei der Werkzeugnutzung erheblich. Diese Methode der Werkzeugauswahl wird häufig in modernen hochpräzisen und hocheffizienten CNC-Bearbeitungszentren eingesetzt und eignet sich besonders für Bearbeitungsaufgaben mit komplexen Prozessen und zahlreichen Werkzeugtypen, wie beispielsweise die Bearbeitung von Teilen wie Motorblöcken und Zylinderköpfen in Automobilen.

(III) Werkzeugwechsel

• Sowohl das Werkzeug auf der Spindel als auch das im Werkzeugmagazin auszutauschende Werkzeug befinden sich in zufälligen Werkzeughaltern
  In diesem Fall läuft der Werkzeugwechsel wie folgt ab: Zunächst führt das Werkzeugmagazin gemäß den Anweisungen der Steuerung eine Werkzeugauswahl durch, um das auszutauschende Werkzeug schnell in die Wechselposition zu bewegen. Anschließend fährt der Doppelarmmanipulator aus, um das neue Werkzeug im Werkzeugmagazin und das alte Werkzeug auf der Spindel präzise zu greifen. Anschließend dreht sich der Werkzeugwechseltisch, um das neue und das alte Werkzeug an die entsprechenden Positionen auf der Spindel bzw. im Werkzeugmagazin zu bringen. Schließlich setzt der Manipulator das neue Werkzeug in die Spindel ein und klemmt es ein. Gleichzeitig platziert er das alte Werkzeug in der leeren Position des Werkzeugmagazins, um den Werkzeugwechsel abzuschließen. Diese Werkzeugwechselmethode ist relativ flexibel und kann an verschiedene Bearbeitungsprozesse und Werkzeugkombinationen angepasst werden, stellt jedoch höhere Anforderungen an die Genauigkeit des Manipulators und die Reaktionsgeschwindigkeit der Steuerung.
• Das Werkzeug auf der Spindel wird in einen festen Werkzeughalter eingesetzt, und das zu ersetzende Werkzeug befindet sich in einem zufälligen Werkzeughalter oder einem festen Werkzeughalter
  Der Werkzeugauswahlprozess ähnelt der oben beschriebenen Methode zur Werkzeugauswahl mit zufälligem Werkzeughalter. Beim Werkzeugwechsel muss das Werkzeugmagazin nach der Entnahme aus der Spindel vorab in die vorgesehene Aufnahmeposition für das Spindelwerkzeug gedreht werden, damit das alte Werkzeug präzise in das Werkzeugmagazin zurückgeführt werden kann. Diese Methode des Werkzeugwechsels wird häufiger bei Bearbeitungsaufgaben mit relativ festen Bearbeitungsprozessen und hoher Einsatzfrequenz des Spindelwerkzeugs angewendet. Beispielsweise können bei der Lochbearbeitung in der Serienproduktion bestimmte Bohrer oder Reibahlen über einen längeren Zeitraum an der Spindel verwendet werden. In diesem Fall kann die Platzierung des Spindelwerkzeugs in einem festen Werkzeughalter die Stabilität und Effizienz der Bearbeitung verbessern.
• Das Werkzeug auf der Spindel befindet sich in einem zufälligen Werkzeughalter und das zu ersetzende Werkzeug befindet sich in einem festen Werkzeughalter
  Der Werkzeugauswahlprozess dient auch dazu, das gewünschte Werkzeug entsprechend den Anforderungen des Bearbeitungsprozesses aus dem Werkzeugmagazin auszuwählen. Beim Werkzeugwechsel wird das aus der Spindel entnommene Werkzeug zur späteren Verwendung an den nächstgelegenen freien Werkzeugplatz verschoben. Diese Werkzeugwechselmethode berücksichtigt in gewissem Maße die Flexibilität der Werkzeuglagerung und die komfortable Verwaltung des Werkzeugmagazins. Sie eignet sich für Bearbeitungsaufgaben mit relativ komplexen Bearbeitungsprozessen, zahlreichen Werkzeugtypen und relativ geringer Einsatzhäufigkeit einiger Werkzeuge. Beispielsweise werden bei der Formenbearbeitung möglicherweise mehrere Werkzeuge unterschiedlicher Spezifikationen verwendet, während bestimmte Spezialwerkzeuge seltener zum Einsatz kommen. In diesem Fall kann die Platzierung dieser Werkzeuge in festen Werkzeughaltern und die Lagerung der gebrauchten Werkzeuge in der Nähe der Spindel die Raumausnutzung des Werkzeugmagazins und die Effizienz des Werkzeugwechsels verbessern.

IV. Fazit