Principio y pasos del cambio automático de herramientas en centros de mecanizado CNC
Resumen: Este artículo detalla la importancia del dispositivo de cambio automático de herramientas en los centros de mecanizado CNC, su principio y los pasos específicos, incluyendo aspectos como la carga, selección y cambio de herramientas. Su objetivo es analizar en profundidad la tecnología de cambio automático de herramientas, brindar apoyo teórico y guía práctica para mejorar la eficiencia y precisión del procesamiento en los centros de mecanizado CNC, ayudar a los operadores a comprender y dominar mejor esta tecnología clave, y así optimizar la eficiencia de la producción y la calidad del producto.
I. Introducción
Como equipos clave en la fabricación moderna, los centros de mecanizado CNC desempeñan un papel crucial con sus dispositivos de cambio automático de herramientas, sistemas de herramientas de corte y cambiadores automáticos de paletas. La aplicación de estos dispositivos permite a los centros de mecanizado completar el procesamiento de múltiples partes de una pieza de trabajo tras una sola instalación, lo que reduce considerablemente el tiempo de inactividad sin fallos, acorta eficazmente el ciclo de fabricación del producto y, además, tiene una importancia significativa para mejorar la precisión del procesamiento. Como elemento fundamental, el rendimiento del dispositivo de cambio automático de herramientas está directamente relacionado con la eficiencia del procesamiento. Por lo tanto, la investigación exhaustiva de su principio y sus pasos tiene un gran valor práctico.
II. Principio del cambio automático de herramientas en centros de mecanizado CNC
(I) Proceso básico de cambio de herramienta
Aunque existen varios tipos de almacenes de herramientas en los centros de mecanizado CNC, como los de disco y los de cadena, el proceso básico de cambio de herramienta es el mismo. Cuando el dispositivo de cambio automático de herramientas recibe una instrucción, el sistema inicia rápidamente el programa de cambio. Primero, el husillo deja de girar inmediatamente y se detiene con precisión en la posición de cambio de herramienta preestablecida mediante un sistema de posicionamiento de alta precisión. Posteriormente, se activa el mecanismo de liberación de la herramienta para que la herramienta en el husillo esté en estado reemplazable. Mientras tanto, según las instrucciones del sistema de control, el almacén de herramientas acciona los dispositivos de transmisión correspondientes para mover con rapidez y precisión la nueva herramienta a la posición de cambio y también realiza la operación de liberación. A continuación, el manipulador de doble brazo actúa rápidamente para sujetar con precisión tanto la herramienta nueva como la antigua al mismo tiempo. Una vez que la mesa de intercambio de herramientas gira a la posición correcta, el manipulador instala la nueva herramienta en el husillo y coloca la antigua en el espacio vacío del almacén de herramientas. Finalmente, el husillo realiza la acción de sujeción para sujetar firmemente la nueva herramienta y regresa a la posición inicial de procesamiento bajo las instrucciones del sistema de control, completando así todo el proceso de cambio de herramienta.
(II) Análisis del movimiento de la herramienta
Durante el proceso de cambio de herramienta en el centro de mecanizado, el movimiento de la herramienta consta principalmente de cuatro partes clave:
- La herramienta se detiene con el husillo y se desplaza a la posición de cambio de herramienta: Este proceso requiere que el husillo deje de girar con rapidez y precisión y se desplace a la posición de cambio de herramienta específica mediante el sistema de movimiento de los ejes de coordenadas de la máquina herramienta. Normalmente, este movimiento se logra mediante un mecanismo de transmisión, como el par tornillo-tuerca accionado por el motor, para garantizar que la precisión de posicionamiento del husillo cumpla con los requisitos de procesamiento.
- Movimiento de la herramienta en el almacén: El modo de movimiento de la herramienta en el almacén depende del tipo de almacén. Por ejemplo, en un almacén de cadena, la herramienta se mueve a la posición especificada junto con la rotación de la cadena. Este proceso requiere que el motor del almacén controle con precisión el ángulo de rotación y la velocidad de la cadena para garantizar que la herramienta alcance la posición de cambio con precisión. En un almacén de disco, el posicionamiento de la herramienta se realiza mediante el mecanismo de rotación del almacén.
- Movimiento de transferencia de la herramienta con el manipulador de cambio de herramienta: El movimiento del manipulador de cambio de herramienta es relativamente complejo, ya que requiere movimientos tanto rotacionales como lineales. Durante las etapas de agarre y liberación de la herramienta, el manipulador debe acercarse y alejarse de la herramienta mediante un movimiento lineal preciso. Generalmente, esto se logra mediante el mecanismo de piñón y cremallera accionado por un cilindro hidráulico o neumático, que a su vez impulsa el brazo mecánico para lograr el movimiento lineal. Durante las etapas de extracción e inserción de la herramienta, además del movimiento lineal, el manipulador también debe alcanzar un cierto ángulo de rotación para garantizar que la herramienta se pueda extraer e insertar suavemente en el husillo o el almacén de herramientas. Este movimiento rotacional se logra mediante la cooperación entre el brazo mecánico y el eje de engranaje, lo que implica la conversión de pares cinemáticos.
- Movimiento de la herramienta que regresa a la posición de procesamiento con el 主轴: Tras completar el cambio de herramienta, el husillo debe regresar rápidamente a la posición de procesamiento original con la nueva herramienta para continuar las operaciones de procesamiento posteriores. Este proceso es similar al movimiento de la herramienta hacia la posición de cambio, pero en dirección opuesta. También requiere un posicionamiento de alta precisión y una respuesta rápida para reducir el tiempo de inactividad durante el procesamiento y mejorar la eficiencia.
III. Pasos del cambio automático de herramientas en centros de mecanizado CNC
(I) Carga de herramientas
- Método de carga del portaherramientas aleatorio
Este método de carga de herramientas ofrece una flexibilidad relativamente alta. Los operadores pueden colocar las herramientas en cualquier portaherramientas del almacén. Sin embargo, es importante tener en cuenta que, una vez instalada la herramienta, es necesario registrar con precisión el número del portaherramientas donde se encuentra para que el sistema de control pueda encontrarla y llamarla con precisión según las instrucciones del programa en el proceso de procesamiento posterior. Por ejemplo, en el procesamiento complejo de moldes, es posible que sea necesario cambiar las herramientas con frecuencia según los diferentes procedimientos de procesamiento. En este caso, el método de carga aleatoria de portaherramientas permite organizar fácilmente las posiciones de almacenamiento de las herramientas según la situación real y mejorar la eficiencia de carga. - Método de carga del portaherramientas fijo
A diferencia del método de carga aleatoria de portaherramientas, el método de carga fija de portaherramientas requiere que las herramientas se coloquen en portaherramientas específicos preestablecidos. La ventaja de este método es que las posiciones de almacenamiento de las herramientas son fijas, lo que facilita la memorización y la gestión por parte de los operadores, y también facilita el posicionamiento y la recuperación rápida de las herramientas por parte del sistema de control. En algunas tareas de procesamiento de producción por lotes, si el proceso es relativamente fijo, la adopción del método de carga fija de portaherramientas puede mejorar la estabilidad y la fiabilidad del procesamiento y reducir los accidentes causados por posiciones incorrectas de almacenamiento de las herramientas.
(II) Selección de herramientas
La selección de herramientas es un elemento clave en el proceso de cambio automático de herramientas, y su objetivo es seleccionar con rapidez y precisión la herramienta especificada del almacén de herramientas para satisfacer las necesidades de los diferentes procedimientos de procesamiento. Actualmente, existen principalmente los dos métodos de selección de herramientas más comunes:
- Selección secuencial de herramientas
El método de selección secuencial de herramientas requiere que los operadores coloquen las herramientas en los portaherramientas siguiendo estrictamente la secuencia del proceso tecnológico al cargarlas. Durante el procesamiento, el sistema de control toma las herramientas una a una según la secuencia de colocación y las vuelve a colocar en los portaherramientas originales después de su uso. La ventaja de este método de selección de herramientas es su fácil manejo y bajo costo, y es adecuado para algunas tareas de procesamiento con procesos relativamente simples y secuencias de uso de herramientas fijas. Por ejemplo, en el procesamiento de algunas piezas de eje simples, puede que solo se necesiten unas pocas herramientas en una secuencia fija. En este caso, el método de selección secuencial de herramientas puede satisfacer los requisitos de procesamiento y reducir el costo y la complejidad del equipo. - Selección aleatoria de herramientas
- Selección de herramientas de codificación de portaherramientas
Este método de selección de herramientas implica codificar cada portaherramientas en el almacén de herramientas y luego colocar las herramientas correspondientes a los códigos de portaherramientas en los portaherramientas especificados una por una. Durante la programación, los operadores usan la dirección T para especificar el código del portaherramientas donde se encuentra la herramienta. El sistema de control impulsa el almacén de herramientas para mover la herramienta correspondiente a la posición de cambio de herramienta de acuerdo con esta información de codificación. La ventaja del método de selección de herramientas de codificación de portaherramientas es que la selección de herramientas es más flexible y puede adaptarse a algunas tareas de procesamiento con procesos de procesamiento relativamente complejos y secuencias de uso de herramientas no fijas. Por ejemplo, en el procesamiento de algunas piezas de aviación complejas, las herramientas pueden necesitar cambiarse con frecuencia según las diferentes piezas de procesamiento y los requisitos del proceso, y la secuencia de uso de la herramienta no es fija. En este caso, el método de selección de herramientas de codificación de portaherramientas puede realizar convenientemente la selección y el reemplazo rápido de herramientas y mejorar la eficiencia del procesamiento. - Selección de herramientas de memoria de computadora
La selección de herramientas mediante memoria de computadora es un método más avanzado e inteligente. Con este método, los números de herramienta y sus posiciones de almacenamiento o los números de portaherramientas se memorizan en la memoria de la computadora o del controlador lógico programable. Cuando es necesario cambiar las herramientas durante el procesamiento, el sistema de control obtiene directamente la información de posición de las herramientas de la memoria según las instrucciones del programa y acciona el almacén de herramientas para moverlas con rapidez y precisión a la posición de cambio. Además, dado que la computadora puede recordar el cambio de la dirección de almacenamiento de la herramienta en tiempo real, las herramientas se pueden extraer y devolver aleatoriamente al almacén, lo que mejora considerablemente la eficiencia de la gestión y la flexibilidad de uso de las herramientas. Este método de selección de herramientas se utiliza ampliamente en los modernos centros de mecanizado CNC de alta precisión y eficiencia, y es especialmente adecuado para tareas de procesamiento con procesos complejos y numerosos tipos de herramientas, como el procesamiento de piezas como bloques de motor y culatas de automóviles.
(III) Cambio de herramienta
El proceso de cambio de herramienta se puede dividir en las siguientes situaciones según los tipos de portaherramientas de la herramienta en el husillo y de la herramienta a sustituir en el almacén de herramientas:
- Tanto la herramienta en el husillo como la herramienta que se va a reemplazar en el almacén de herramientas están en portaherramientas aleatorios
En este caso, el proceso de cambio de herramienta es el siguiente: En primer lugar, el almacén de herramientas realiza la operación de selección de herramienta según las instrucciones del sistema de control para mover rápidamente la herramienta que se va a reemplazar a la posición de cambio de herramienta. Luego, el manipulador de doble brazo se extiende para agarrar con precisión la nueva herramienta en el almacén de herramientas y la herramienta vieja en el husillo. A continuación, la mesa de intercambio de herramientas gira para rotar la nueva herramienta y la herramienta vieja a las posiciones correspondientes del husillo y el almacén de herramientas respectivamente. Finalmente, el manipulador inserta la nueva herramienta en el husillo y la sujeta, y al mismo tiempo, coloca la herramienta vieja en la posición vacía del almacén de herramientas para completar la operación de cambio de herramienta. Este método de cambio de herramienta tiene una flexibilidad relativamente alta y puede adaptarse a varios procesos de procesamiento y combinaciones de herramientas diferentes, pero tiene mayores requisitos para la precisión del manipulador y la velocidad de respuesta del sistema de control. - La herramienta en el husillo se coloca en un portaherramientas fijo y la herramienta que se va a reemplazar está en un portaherramientas aleatorio o en un portaherramientas fijo
El proceso de selección de herramientas es similar al método de selección de portaherramientas aleatorio descrito anteriormente. Al cambiar la herramienta, tras retirarla del husillo, es necesario girar el almacén de herramientas previamente a la posición específica para recibir la herramienta del husillo, de modo que la herramienta usada pueda devolverse con precisión. Este método de cambio de herramienta es más común en algunas tareas de procesamiento con procesos relativamente fijos y una alta frecuencia de uso de la herramienta del husillo. Por ejemplo, en algunos procedimientos de procesamiento de agujeros en producción por lotes, pueden utilizarse brocas o escariadores específicos en el husillo durante un tiempo prolongado. En este caso, colocar la herramienta del husillo en un portaherramientas fijo puede mejorar la estabilidad y la eficiencia del procesamiento. - La herramienta en el husillo está en un portaherramientas aleatorio y la herramienta que se va a reemplazar está en un portaherramientas fijo
El proceso de selección de herramientas también consiste en seleccionar la herramienta especificada del almacén de herramientas según los requisitos del proceso de procesamiento. Al cambiar la herramienta, la herramienta extraída del husillo se enviará a la posición de herramienta vacía más cercana para su uso posterior. Este método de cambio de herramienta, en cierta medida, tiene en cuenta la flexibilidad del almacenamiento de herramientas y la comodidad de la gestión del almacén de herramientas. Es adecuado para algunas tareas de procesamiento con procesos de procesamiento relativamente complejos, numerosos tipos de herramientas y frecuencias de uso relativamente bajas de algunas herramientas. Por ejemplo, en algunos procesamientos de moldes, se pueden utilizar múltiples herramientas de diferentes especificaciones, pero algunas herramientas especiales se utilizan con menos frecuencia. En este caso, colocar estas herramientas en portaherramientas fijos y almacenar las herramientas usadas en el husillo cercano puede mejorar la tasa de utilización del espacio del almacén de herramientas y la eficiencia del cambio de herramientas.
IV. Conclusión
El principio y los pasos del cambio automático de herramientas en centros de mecanizado CNC constituyen una ingeniería de sistemas compleja y precisa que implica conocimientos técnicos en múltiples campos, como la estructura mecánica, el control eléctrico y la programación de software. Un profundo conocimiento y dominio de la tecnología de cambio automático de herramientas es fundamental para mejorar la eficiencia y la precisión del procesamiento, así como la fiabilidad de los equipos de los centros de mecanizado CNC. Con el continuo desarrollo de la industria manufacturera y el progreso tecnológico, los dispositivos de cambio automático de herramientas de los centros de mecanizado CNC seguirán innovando y mejorando, buscando mayor velocidad, mayor precisión y una inteligencia más robusta para satisfacer la creciente demanda de procesamiento de piezas complejas y brindar un sólido apoyo para impulsar la transformación y modernización de la industria manufacturera. En la práctica, los operadores deben elegir razonablemente los métodos de carga, selección y cambio de herramientas según las características y requisitos de las tareas de procesamiento para aprovechar al máximo las ventajas de los centros de mecanizado CNC, mejorar la eficiencia de la producción y la calidad del producto. Asimismo, los fabricantes de equipos deben optimizar continuamente los procesos de diseño y fabricación de los dispositivos de cambio automático de herramientas para mejorar el rendimiento y la estabilidad de los equipos y ofrecer a los usuarios soluciones de mecanizado CNC de mayor calidad y eficiencia.