עקרון ושלבי החלפת כלים אוטומטית במרכזי עיבוד שבבי CNC
תקציר: מאמר זה מפרט בפירוט את חשיבותו של התקן החלפת הכלים האוטומטית במרכזי עיבוד שבבי CNC, את עקרון החלפת הכלים האוטומטית ואת השלבים הספציפיים, כולל היבטים כגון טעינת כלים, בחירת כלים והחלפת כלים. מטרתו לנתח לעומק את טכנולוגיית החלפת הכלים האוטומטית, לספק תמיכה תיאורטית והדרכה מעשית לשיפור יעילות העיבוד והדיוק של מרכזי עיבוד שבבי CNC, לסייע למפעילים להבין ולשלוט טוב יותר בטכנולוגיה מרכזית זו, ולאחר מכן לשפר את יעילות הייצור ואת איכות המוצר.
א. מבוא
כציוד מפתח בייצור מודרני, מרכזי עיבוד שבבי CNC ממלאים תפקיד מכריע עם התקני החלפת כלים אוטומטיים, מערכות כלי חיתוך והתקני החלפת משטחים אוטומטיים. יישום התקנים אלה מאפשר למרכזי עיבוד שבבי להשלים את עיבודם של חלקים שונים מרובים של חומר עבודה לאחר התקנה אחת, מה שמפחית משמעותית את זמן ההשבתה ללא תקלות, מקצר ביעילות את מחזור ייצור המוצר, וגם בעל חשיבות משמעותית לשיפור דיוק העיבוד של המוצרים. כחלק מרכזי ביניהם, ביצועי התקן החלפת הכלים האוטומטי קשורים ישירות לרמת יעילות העיבוד. לכן, למחקר מעמיק על עקרונותיו ושלביו יש ערך מעשי חשוב.
II. עקרון החלפת הכלים האוטומטית במרכזי עיבוד שבבי CNC
(א) תהליך בסיסי של החלפת כלים
למרות שקיימים סוגים שונים של מחסניות כלים במרכזי עיבוד שבבי CNC, כגון מחסניות כלים מסוג דיסק ומחסניות כלים מסוג שרשרת, התהליך הבסיסי של החלפת הכלים הוא עקבי. כאשר התקן החלפת הכלים האוטומטי מקבל הוראת החלפת כלי, המערכת כולה מתחילה במהירות את תוכנית החלפת הכלים. ראשית, הציר יפסיק מיד להסתובב ויעצור במדויק במיקום החלפת הכלי שנקבע מראש באמצעות מערכת מיקום מדויקת. לאחר מכן, מנגנון פתיחת הכלי מופעל כדי להפוך את הכלי על הציר למצב הניתן להחלפה. בינתיים, בהתאם להוראות מערכת הבקרה, מחסנית הכלים מניעה את התקני ההולכה המתאימים כדי להזיז במהירות ובדייקנות את הכלי החדש למיקום החלפת הכלי וגם מבצעת את פעולת פתיחת הכלי. לאחר מכן, המניפולטור בעל הזרועות הכפולות פועל במהירות כדי לתפוס במדויק את הכלים החדשים והישנים בו זמנית. לאחר ששולחן החלפת הכלים מסתובב למיקום הנכון, המניפולטור מתקין את הכלי החדש על הציר ומניח את הכלי הישן במיקום הריק של מחסנית הכלים. לבסוף, הציר מבצע את פעולת ההידוק כדי לאחוז בחוזקה את הכלי החדש וחוזר למצב העיבוד ההתחלתי בהתאם להוראות מערכת הבקרה, ובכך משלים את כל תהליך החלפת הכלי.
(II) ניתוח תנועת הכלים
במהלך תהליך החלפת הכלי במרכז העיבוד השבבי, תנועת הכלי מורכבת בעיקר מארבעה חלקים עיקריים:
- הכלי עוצר יחד עם הציר ונע למצב החלפת הכלי: תהליך זה דורש מהציר להפסיק להסתובב במהירות ובדייקנות ולנוע למצב החלפת הכלי הספציפי באמצעות מערכת התנועה של צירי הקואורדינטות של המכונה. בדרך כלל, תנועה זו מושגת על ידי מנגנון תמסורת כגון זוג בורג-אום המונע על ידי המנוע כדי להבטיח שדיוק המיקום של הציר יעמוד בדרישות העיבוד.
- תנועת הכלי במחסנית הכלים: מצב התנועה של הכלי במחסנית הכלים תלוי בסוג מחסנית הכלים. לדוגמה, במחסנית כלים מסוג שרשרת, הכלי נע למיקום שצוין יחד עם סיבוב השרשרת. תהליך זה דורש ממנוע ההנעה של מחסנית הכלים לשלוט במדויק בזווית הסיבוב ובמהירות השרשרת כדי להבטיח שהכלי יוכל להגיע למיקום החלפת הכלי במדויק. במחסנית כלים מסוג דיסק, מיקום הכלי מושג באמצעות מנגנון הסיבוב של מחסנית הכלים.
- העברת תנועת הכלי בעזרת מניפולטור החלפת הכלי: תנועת מניפולטור החלפת הכלי מורכבת יחסית, שכן היא צריכה להשיג תנועות סיבוביות וליניאריות כאחד. במהלך שלבי אחיזת הכלי ושחרור הכלי, המניפולטור צריך להתקרב ולצאת מהכלי באמצעות תנועה ליניארית מדויקת. בדרך כלל, הדבר מושג על ידי מנגנון מתלה וגלגל שיניים המונע על ידי גליל הידראולי או גליל אוויר, אשר לאחר מכן מניע את הזרוע המכנית כדי להשיג תנועה ליניארית. במהלך שלבי משיכת הכלי והכנסת הכלי, בנוסף לתנועה ליניארית, המניפולטור צריך גם לבצע זווית סיבוב מסוימת כדי להבטיח שניתן יהיה למשוך ולהכניס את הכלי בצורה חלקה מהציר או ממחסנית הכלים. תנועה סיבובית זו מושגת באמצעות שיתוף פעולה בין הזרוע המכנית לציר ההילוכים, הכולל המרת זוגות קינמטיים.
- תנועת הכלי בחזרה למצב העיבוד עם הכלי החדש: לאחר השלמת החלפת הכלי, הציר צריך לחזור במהירות למצב העיבוד המקורי עם הכלי החדש כדי להמשיך בפעולות העיבוד הבאות. תהליך זה דומה לתנועת הכלי במעבר למצב החלפת הכלי אך בכיוון ההפוך. הוא דורש גם מיקום מדויק ותגובה מהירה כדי להפחית את זמן ההשבתה במהלך תהליך העיבוד ולשפר את יעילות העיבוד.
ג. שלבי החלפת כלים אוטומטית במרכזי עיבוד שבבי CNC
(א) טעינת כלים
- שיטת טעינה אקראית של מחזיקי כלים
לשיטת טעינת כלים זו גמישות יחסית גבוהה. מפעילים יכולים להניח כלים בכל מחזיק כלים במחסן הכלים. עם זאת, יש לציין שלאחר השלמת התקנת הכלי, יש לתעד במדויק את מספר מחזיק הכלי שבו נמצא הכלי, כך שמערכת הבקרה תוכל למצוא ולקרוא במדויק לכלי בהתאם להוראות התוכנית בתהליך העיבוד העוקב. לדוגמה, בעיבוד תבניות מורכב, ייתכן שיהיה צורך להחליף כלים לעתים קרובות בהתאם להליכי עיבוד שונים. במקרה זה, שיטת טעינת מחזיקי הכלים האקראית יכולה לסדר בנוחות את מיקומי האחסון של הכלים בהתאם למצב בפועל ולשפר את יעילות טעינת הכלים. - שיטת טעינת מחזיק כלי קבוע
בשונה משיטת טעינת מחזיקי כלים אקראית, שיטת טעינת מחזיקי כלים קבועה דורשת להניח כלים במחזיקי כלים ספציפיים מראש. היתרון של שיטה זו הוא שמיקומי האחסון של הכלים קבועים, דבר שנוח למפעילים לזכור ולנהל, וגם תורם למיקום וקריאה מהירים של כלים על ידי מערכת הבקרה. במשימות עיבוד מסוימות של ייצור אצווה, אם תהליך העיבוד קבוע יחסית, אימוץ שיטת טעינת מחזיקי כלים קבועה יכול לשפר את היציבות והאמינות של העיבוד ולהפחית תאונות עיבוד הנגרמות עקב מיקומי אחסון כלים שגויים.
(II) בחירת כלים
בחירת כלים היא חוליה מרכזית בתהליך החלפת הכלים האוטומטית, ומטרתה לבחור במהירות ובדייקנות את הכלי שצוין ממחסן הכלים כדי לענות על הצרכים של הליכי עיבוד שונים. נכון לעכשיו, ישנן בעיקר שתי שיטות נפוצות לבחירת כלים:
- בחירת כלים סדרתית
שיטת בחירת הכלים הרציפה דורשת מהמפעילים להניח כלים במחזיקי הכלים בהתאם לרצף התהליך הטכנולוגי בעת טעינת כלים. במהלך תהליך העיבוד, מערכת הבקרה תיקח את הכלים אחד אחד בהתאם לרצף המיקום של הכלים ותחזיר אותם למחזיקי הכלים המקוריים לאחר השימוש. היתרון של שיטת בחירת כלים זו הוא שהיא פשוטה לתפעול ועלותה נמוכה, והיא מתאימה למשימות עיבוד מסוימות עם תהליכי עיבוד פשוטים יחסית ורצפי שימוש קבועים בכלים. לדוגמה, בעיבוד של חלקים פשוטים של פירים, ייתכן שיהיה צורך רק בכמה כלים ברצף קבוע. במקרה זה, שיטת בחירת הכלים הרציפה יכולה לעמוד בדרישות העיבוד ולהפחית את העלות והמורכבות של הציוד. - בחירת כלים אקראית
- בחירת כלי קידוד מחזיק כלים
שיטת בחירת כלים זו כוללת קידוד של כל מחזיק כלי במחסן הכלים ולאחר מכן הכנסת הכלים המתאימים לקודי מחזיק הכלים למחזיקי הכלים שצוינו אחד אחד. בעת התכנות, המפעילים משתמשים בכתובת T כדי לציין את קוד מחזיק הכלי שבו נמצא הכלי. מערכת הבקרה מניעה את מחסנית הכלים להזיז את הכלי המתאים למיקום החלפת הכלי בהתאם למידע קידוד זה. היתרון של שיטת בחירת הכלים של קידוד מחזיק הכלים הוא שבחירת הכלים גמישה יותר ויכולה להסתגל למשימות עיבוד מסוימות עם תהליכי עיבוד מורכבים יחסית ורצפי שימוש בכלים לא קבועים. לדוגמה, בעיבוד של חלקים מורכבים מסוימים בתעופה, ייתכן שיהיה צורך להחליף כלים לעתים קרובות בהתאם לחלקי עיבוד שונים ודרישות תהליך, ורצף השימוש בכלים אינו קבוע. במקרה זה, שיטת בחירת הכלים של קידוד מחזיק הכלים יכולה לממש בנוחות את הבחירה וההחלפה המהירות של כלים ולשפר את יעילות העיבוד. - בחירת כלי זיכרון מחשב
בחירת כלים בזיכרון המחשב היא שיטת בחירת כלים מתקדמת וחכמה יותר. בשיטה זו, מספרי הכלים ומיקומי האחסון שלהם או מספרי מחזיקי הכלים נשמרים בזיכרון המחשב או בזיכרון של בקר הלוגיקה הניתן לתכנות. כאשר יש צורך להחליף כלים במהלך תהליך העיבוד, מערכת הבקרה תקבל ישירות את מידע המיקום של הכלים מהזיכרון בהתאם להוראות התוכנית ותניע את מחסנית הכלים כדי להזיז את הכלים במהירות ובדייקנות למיקום החלפת הכלים. יתר על כן, מכיוון שהמחשב יכול לזכור את שינוי כתובת אחסון הכלים בזמן אמת, ניתן להוציא כלים ולשלוח אותם בחזרה באופן אקראי במחסנית הכלים, מה שמשפר מאוד את יעילות הניהול וגמישות השימוש בכלים. שיטת בחירת כלים זו נמצאת בשימוש נרחב במרכזי עיבוד CNC מודרניים בעלי דיוק גבוה ויעילות גבוהה, ומתאימה במיוחד למשימות עיבוד עם תהליכי עיבוד מורכבים וסוגים רבים של כלים, כגון עיבוד חלקים כמו בלוקי מנוע רכב וראשי צילינדרים.
(III) החלפת כלים
ניתן לחלק את תהליך החלפת הכלים למצבים הבאים בהתאם לסוגי מחזיקי הכלים של הכלי על הציר והכלי שיש להחליף במחסנית הכלים:
- גם הכלי שעל הציר וגם הכלי שיש להחליף במחסנית הכלים נמצאים במחזיקי כלים אקראיים.
במקרה זה, תהליך החלפת הכלים הוא כדלקמן: ראשית, מחסנית הכלים מבצעת את פעולת בחירת הכלים בהתאם להוראות מערכת הבקרה כדי להזיז במהירות את הכלי להחלפה למצב החלפת הכלים. לאחר מכן, המניפולטור בעל הזרוע הכפולה נפתח כדי לתפוס במדויק את הכלי החדש במחסנית הכלים ואת הכלי הישן על הציר. לאחר מכן, שולחן החלפת הכלים מסתובב כדי לסובב את הכלי החדש והכלי הישן למיקומים המתאימים של הציר ומחסנית הכלים בהתאמה. לבסוף, המניפולטור מכניס את הכלי החדש לתוך הציר ומהדק אותו, ובמקביל ממקם את הכלי הישן במצב הריק של מחסנית הכלים כדי להשלים את פעולת החלפת הכלים. לשיטת החלפת כלים זו גמישות יחסית גבוהה ויכולה להסתגל לתהליכי עיבוד שונים ולשילובי כלים, אך יש לה דרישות גבוהות יותר לדיוק המניפולטור ולמהירות התגובה של מערכת הבקרה. - הכלי שעל הציר ממוקם במחזיק כלים קבוע, והכלי שיש להחליף נמצא במחזיק כלים אקראי או במחזיק כלים קבוע
תהליך בחירת הכלי דומה לשיטת בחירת הכלי האקראית של מחזיק הכלי הנ"ל. בעת החלפת הכלי, לאחר הוצאת הכלי מהציר, יש לסובב את מחסנית הכלים מראש למיקום הספציפי לקליטת כלי הציר, כך שניתן יהיה לשלוח את הכלי הישן בחזרה במדויק למחסנית הכלים. שיטת החלפת כלים זו נפוצה יותר במשימות עיבוד מסוימות עם תהליכי עיבוד קבועים יחסית ותדירות שימוש גבוהה בכלי הציר. לדוגמה, בהליכי עיבוד חורים מסוימים בייצור אצווה, ניתן להשתמש במקדחים או מקדחים ספציפיים על הציר למשך זמן רב. במקרה זה, הצבת כלי הציר במחזיק כלים קבוע יכולה לשפר את היציבות והיעילות של העיבוד. - הכלי שעל הציר נמצא במחזיק כלים אקראי, והכלי שיש להחליף נמצא במחזיק כלים קבוע
תהליך בחירת הכלים הוא גם בחירת הכלי שצוין ממחסנית הכלים בהתאם לדרישות תהליך העיבוד. בעת החלפת הכלי, הכלי שנלקח מהציר יישלח למיקום הכלי הריק הקרוב ביותר לשימוש נוסף. שיטת החלפת כלים זו, במידה מסוימת, מתחשבת בגמישות אחסון הכלים ובנוחות ניהול מחסנית הכלים. היא מתאימה למשימות עיבוד מסוימות עם תהליכי עיבוד מורכבים יחסית, סוגים רבים של כלים ותדירות שימוש נמוכה יחסית של כלים מסוימים. לדוגמה, בעיבוד תבניות מסוימות, ניתן להשתמש בכלים מרובים בעלי מפרטים שונים, אך כלים מיוחדים מסוימים משמשים בתדירות נמוכה יותר. במקרה זה, הצבת כלים אלה במחזיקי כלים קבועים ואחסון הכלים המשומשים על הציר הסמוך יכולים לשפר את שיעור ניצול השטח של מחסנית הכלים ואת יעילות החלפת הכלים.
ד. סיכום
העיקרון והשלבים של החלפת כלים אוטומטית במרכזי עיבוד שבבי CNC הם הנדסת מערכת מורכבת ומדויקת, הכוללת ידע טכני בתחומים מרובים כגון מבנה מכני, בקרה חשמלית ותכנות תוכנה. הבנה מעמיקה ושליטה בטכנולוגיית החלפת כלים אוטומטית הן בעלות חשיבות רבה לשיפור יעילות העיבוד, דיוק העיבוד ואמינות הציוד של מרכזי עיבוד שבבי CNC. עם ההתפתחות המתמשכת של תעשיית הייצור וההתקדמות הטכנולוגית, התקני החלפת כלים אוטומטיים של מרכזי עיבוד שבבי CNC ימשיכו גם הם לחדש ולהשתפר, להתקדם למהירות גבוהה יותר, דיוק גבוה יותר ואינטליגנציה חזקה יותר כדי לענות על הביקוש הגובר לעיבוד חלקים מורכבים ולספק תמיכה חזקה לקידום השינוי והשדרוג של תעשיית הייצור. ביישומים מעשיים, על המפעילים לבחור באופן סביר שיטות טעינת כלים, שיטות בחירת כלים ואסטרטגיות החלפת כלים בהתאם למאפיינים ולדרישות של משימות העיבוד כדי לנצל באופן מלא את היתרונות של מרכזי עיבוד שבבי CNC, לשפר את יעילות הייצור ואיכות המוצר. במקביל, על יצרני ציוד גם לייעל באופן רציף את תהליכי התכנון והייצור של התקני החלפת כלים אוטומטיים כדי לשפר את הביצועים והיציבות של הציוד ולספק למשתמשים פתרונות עיבוד שבבי CNC איכותיים ויעילים יותר.