A CNC szerszámgépek, közöttük is a CNC megmunkáló központok egyik legfontosabb jellemzője – mely magas automatizáltságukat eredményezi -, hogy egy felfogásból több forgácsolási műveletet is képesek elvégezni, különböző szerszámokkal. Ezt a CNC megmunkáló központok szerszámtárai teszik lehetővé.
Napjainkra a megmunkáló központok szerszámtárai a szerszámgépgyártás területén hasonló helyzetbe kerültek, mint a CNC esztergák revolverfejei: külön gyártók szakosodtak automata szerszámtárak gyártására, kifejezetten megmunkáló központokhoz. Jelen cikksorozatunkban a CNC megmunkáló központok automata szerszámtárait, szerszámkezelési rendszerüket szeretnénk bemutatni.
Tartalom:
1. Alapfogalmak, szerkezeti részegységek, típusaik
2. Szerszámtárak típusai
2.1. Dobtáras szerkezeti kialakítás
2.2. Ernyőtáras szerkezeti kialakítás
2.3. Lánctáras szerkezeti kialakítás
2.4. Fúró-menetmegmunkáló központok forgó-billenő tára
3. Összehasonlítás, alkalmazásuk
1. Alapfogalmak, szerkezeti részegységek, típusaik
A szerszámtárakat az angolszász szakirodalmakban ATC-nek nevezik (Automatic Tool Changer, magyarra lefordítva: Automata szerszámcserélő), mely véleményem szerint jobban kifejezik a CNC megmunkáló központokban ellátott szerepüket. Alapvetően nemcsak a szerszámok tárolása, de azok kezelése, a főorsóból történő kihelyezése, cserélése is a feladatuk. A magyar szakmai nyelvben a szerszámtár szó terjedt el leginkább, ezért továbbra is így használom cikkemben.
A szerszámtárak két fő szerkezeti egységre bonthatóak: a tényleges tároló egység és a cserélő mechanizmus. A tároló egységbe a szerszámokat szerszámbefogóikon keresztül helyezik be valamilyen bepattanó szerkezetes vagy peremes hüvelybe. A szerszámcserélő egység feladata a tárban, illetve a főorsóban levő szerszámok tetszés szerinti kicserélése. Látni fogjuk, hogy sok esetben a cserélési műveletet maga a tároló egység végzi el relatív mozgásával.
2. Szerszámtárak típusai
A CNC megmunkáló központokba épített szerszámtárak négy fő típusba sorolhatóak: dobtáras, ernyőtáras, lánctáras, illetve külön kuriózumként a fúró-menetmegmunkáló központok forgó-billenő dobtára.
2.1. Dobtáras szerkezeti kialakítás
Kettős cserélőkar megfogó egysége
A szerszámok a szerszámbefogókon keresztül egy kör alakú tároló egységbe kerülnek felhelyezésre. A kör alakú tároló feladata, hogy a cserélni kívánt szerszámot a cserélés pozíciójába forgassa. A tároló egység, a „dobtár” helyezkedhet függőleges, vagy vízszintes helyzetben. A dobtárakat a főorsó szekrényre szerelik fel általában, így a főorsó mozgása közben a szerszámtár is vele együtt mozog. A dobtáras szerkezeti egység elengedhetetlen részegysége a cserélő kar, mely általában ikerkaros kialakítású. A szerszám cserélése során a cserélő kar két mozgást végez: 180 fokos forgás a kar tengelye körül, illetve alternáló, fel-lemozgást. Első lépésben a cserélő kar mindkét szerszámbefogót megfogja (ami az orsóban van, illetve a cserélésre kívánt szerszám a tárból), majd lefelé mozog, miközben megcseréli a két szerszám helyét. Ezt követően visszahelyezi őket az orsókúpba, illetve a tárba.
Vízszintes elhelyezésű dobtár
A cserélő karok hajtásának megoldására két szerkezeti kialakítás terjedt el. Az egyik két pneumatikus aktuátorral megoldott hajtás: egy pneumatikus forgatómű végzi a ikerkar forgatását és egy pneumatikus munkahenger a cserélő kar fel-lemozgását. Egyre gyakoribb megoldás a pneumatikus aktuátorok lecserélése villamos hajtásra, DC szervó motorokra. A másik megoldás mechanikus elven működik: valamilyen bütykös mechanizmussal vezetik meg a cserélő karját, így amikor egy munkahenger kitolja, közben elvégzi a forgatást is. Ha a bütykös mechanizmust szervó motorral hajtják, akkor a forgás közben a kar képes hosszanti irányú elmozdulásra.
Ha a tároló egység, a „dob” függőleges tengelyű elrendezésbe kerül beépítésre, arról is gondoskodni kell, hogy a szerszám egy irányba mutasson a főorsó tengelyével. Függőleges megmunkáló központoknál, ha a dobtárat vízszintes elrendezésben építik be, akkor a tárban lévő szerszám tengelye merőleges az orsótengelyre. Ilyen szerkezeti kialakításnál a tárban lévő befogó patronokat, amik a szerszámbefogót rögzítik, úgy alakítják ki, hogy egy pneumatikus munkahenger be tudja dönteni a megfelelő irányba, így a cserélő kar képes ráfogni. Miután a csere megtörtént, a munkahenger pedig párhuzamos helyzetbe hozta a szerszámot a hüvellyel, a hüvelyt általában rugó rántja vissza a tár tengelyével párhuzamos állásba. Bár ez a szerkezeti kialakítás bonyolultabb, a több mozgó szerkezeti egység több meghibásodási lehetőséget is magában rejt, mégis sokkal helytakarékosabb megoldás, mint a függőleges helyzetű dobtáré. Függőleges helyzetű dobtáraknál a cserélő kar 90 fokonként képes pozícionálni, amikor nincs szükség a cserélő karra, a dobtár és a főorsó között helyezkedik el.
Vízszintes elhelyezkedésű dobtár, a szerszámmegfogó hüvely billentő mechanizmusával
2.2. Ernyőtáras szerkezeti kialakítás
Az ernyőtáras szerszámtár esetében is egy kör alakú tároló egység kerülete mentén, szerszámbefogókkal együtt helyezkednek el a szerszámok. Az ernyőtárak legfontosabb, és egyben leglényegesebb szerkezeti különbsége a dobtáras megoldáshoz képest, az a cserélőkar hiánya. A ernyős tárak esetén vagy a főorsó mozog az ernyőtár egy adott cserélési pozíciójába, vagy az ernyőtár mozog a főorsó pozíciójába.
Ernyős tár portál kialakítású gép, felső hídszerkezetének szélén elhelyezve
Amikor a főorsó mozog az ernyő egyik adott szerszám férőhelyére, a szerszámtár szervo motorja először beforgatja a gép vezérlőjében megadott abszolút, gépi koordinátás pozíciójában leírt pontba az üres férőhelyet, majd a főorsó kvázi „bepattintja” a főorsó kúpból a befogót a tárhelybe. A főorsó ezután elmozdul a tártól, míg az a következő szerszámot pozícióba forgatja, majd az új szerszámot „pattintja ki” a tárból az orsó.
Mozgótáras, ernyőtár szerszámcsere közben
Amikor az ernyős tárat mozgatjuk a főorsóhoz, szükség van egy betoló mechanizmusra is, ami a tárat mozgatja. Ilyen szerkezeti kialakítás esetén a szerszámtár a főorsó tartó oszlopon helyezkedik el. Amikor a gép megmunkálást végez, a tár kitolva helyezkedik el a főorsóhoz képest. Szerszámcsere esetén a főorsó Z-tengely mentén feláll egy adott gépi koordinátás pozícióba, majd az előbb leírt ütem szerint végzi a szerszámcserét.
Ernyőstár belülről nézve
10. ábra Láncos tár
2.3. Lánctáras szerkezeti kialakítás
Láncos tárak esetén a szerszám tárolását egy speciális lánc alkotja, mely esetén a láncszemekre van felhelyezve a bepattanó hüvely, ami a szerszámokat rögzíti a befogókon keresztül. A láncot szervo motor hajtja, hasonlóan az ernyős megoldáshoz, a gépi koordinátában tárolt fix szerszámcserélési pozícióba helyezi a kívánt szerszámot. A láncos szerszámtár esetén is szükséges a kettős cserélő kar, ami a két szerszám cserélését végzi. A láncos szerszámtárak számtalan kialakításban előfordulnak, általában függőleges helyzetűek.
Láncos tár pozíció érzékelője ls hajtása
2.4. Fúró-menetmegmunkáló központok forgó-billenő tára
A fúró-menetmegmunkáló központok (vagy tapping center-ek) tárainak szerkezeti kialakítása valahol az ernyős tárak és a dobtárak között helyezkedik el. A tárak a főorsó-tartó oszlopra kerülnek rögzítésre, a főorsó és a Z-tengely előtt. A szerszámtár cserélés során a főorsó előtt a megfelelő pozícióba forgatja a szerszámot, a főorsó a cserélési pozíció fölé mozog, majd a szerszámtár bedönti a cserélési pozícióba a megfelelő szerszámot. A szerszámtár visszabillentéséről rugó gondoskodik, a döntést munkahengerrel oldják meg, a tár forgatását szervó motorral. Érdekes szerkezeti egysége az ilyen kialakítású táraknak a tár billenő burkolata, ami szinkronban mozog a főorsóval cserélés közben.
Billenő-forgótár, visszaterítő rugókkal, billentő mechanizmussal
3. Összehasonlítás, alkalmazásuk
A szerszámtárak konstrukciós kialakítása során négy fő szempontot szükséges vizsgálnunk: tár kapacitása, a tár helyigénye, a szerszámváltás ideje és a tár megbízhatósága.
A dobtárak a leginkább elterjedtebb szerszámtárak vízszintes tengelyű, mozgó asztalos, C-vázas CNC megmunkáló központoknál. Relatív gyorsan végzi a szerszámváltást (2-3 másodperc általában), a tár helyigénye a beépítésétől függ (vízszintes vagy függőleges elhelyezkedésű), általában 20, vagy 24 szerszámot képes tárolni (esetenként 30-at is 30-as vagy 40-es kúpú főorsók esetén).
Ernyős tár burkolattal és anélkül
Az ernyős tárak szerszámcserélési ideje szinte a leghosszabb (kb. 5-7 másodperc), oka, hogy a két szerszám kezelése nem párhuzamosan történik. A tároló kapacitásuk általában max. 20-24 szerszám. Helyigénye körülbelül megegyezik a függőleges beépítésű dobtárakéval. Egyetlen területen veri bármelyik szerkezeti kialakítású társát: a megbízhatóságban. Mivel kevés mozgó szerkezeti egységet tartalmaz, így kisebb a meghibásodási hibalehetőség, illetve így kisebb az elszennyeződésre való hajlamossága. Ernyős tárakat két helyen szoktak alkalmazni: ahol nagy a kosz, illetve ahol nem szükséges a gyors csere, inkább az üzembiztonság. Grafit, illetve réz megmunkáló központoknál alkalmazzák, ahol egyrészt magas a szennyeződés foka. Továbbá portálos kialakítású, kétoszlopos, függőleges CNC megmunkáló központoknál. Ezeket a szerszámgépeket merevségük miatt szerszámmarásra alkalmazzák. Bár a szerszámgyártásnál sok szerszámot alkalmazhatnak, viszont a műveleti idők mellett a cserélés ideje eltörpül.
Láncos tár, rengeteg férőhellyel
Láncos tárak cserélési ideje körülbelül megegyezik a dobtárasokéval (kicsit több a lánc pozícióba hordása miatt). A láncos tárak szerkezeti kialakításuk miatt a tároló kapacitás, illetve a helyigény tekintetében a legjobbak. Akár 60, 80, 120 szerszámot is képesek kezelni. Bár ezek a tárak nagyméretűek, gyakran különálló egységként kerülnek a gép mellé kiépítve, de ha leosztjuk a tár kapacitását a helyigényével, fajlagosan a legjobb hely a helykihasználtságuk. A láncok kialakítása miatt rengeteg mozgószerkezeti elem található bennük, így áruk a legmagasabb a tárak között. Helyigényük, nagy kapacitásuk miatt leginkább horizontális CNC megmunkáló központokhoz alkalmazzák.
A láncos táraké fajlagosan a lgejobb helykihasználtság
A tapping center-ek tárai a legrövidebb szerszámcserét biztosítják, akár 2 másodperc alatt. Tároló kapacitásuk a kialakításuk miatt korlátozottabb, mint társaiké, kb. 10-15 szerszám. A 90’-es évek végén, 2000-es évek elején, amikor nagyobb számban kezdték el ezeket a konstrukciókat fejleszteni, gyártani a szerszámgép-gyártók, a tapping center-ek gyengepontját a tárak jelentették. Eleinte előfordultak gyerekbetegségként megjelenő törések a táron belül, a nagy fordulatok, hirtelen rángások miatt. A mai napokra meglátásom szerint ezeket a kisebb-nagyobb hibákat kijavították.
Tapping center tára, alulról nézve, a szerszámrögzítő hüvellyel
Végül, de nem utolsó sorban megemlíteném a robotizált, nagy tároló kapacitású szerszám „tárakat”, amik inkább már a polc rendszerű, több száz szerszám kezelésére alkalmas célgép jellegű kiszolgáló gépek. Jelenleg Magyarországon ilyen jellegű tár-rendszerekkel a nagy globális cégeknél, kimagasló darabszámú termelést folytató vállalatoknál figyelhető meg, ahol leginkább egyszerre több, akár 3-4 CNC gépet szolgálnak ki. szerkezeti kialakításukat tekintve bármelyik előbb tárgyalt 4 fő típushoz illeszthetőek.
Robotizált, polcos szerszámtároló egység
Mint látható, a szerszámok tárolása és kezelése során is számos szerkezeti kialakítással találkozhatunk. Természetesen, ezek csak az alapvető konstrukciós megoldások, ezen felül számos más tárral is találkozhatunk, vagy akár a fent taglalt négy tár bizonyos mértékű ötvözésével.
Források:
www.tormach.com/upgrades_tts_atc.html
www.nct.hu/machine2.php?szam=M0007&lang=eng
www.cens.com/cens/html/en/product/product_main_102981.html
www.directindustry.com/prod/cds-cam-driven-systems/product-26477-163440.html
www.diytrade.com/china/pd/5768345/CNC_Routers_with_Auto_Tool_Changer_Spindle.html
www.practicalmachinist.com/vb/haas/broken-tool-changer-how-did-happen-147004/
www.ebay.ca/itm/HAAS-Carousel-Plate-WILL-NOT-BREAK-Read-the-details-6th-Year-SOLD-/271611822351
www.arpimachinesales.com/index.php?route=product/product&product_id=1898
www.cnczone.com/forums/haas-mills/266638-tool-changer-throws-tools.html
www.mmsonline.com/articles/milltap-700-high-speed-vertical-machining-center-from-dmgmori-seiki
www.linkedin.com/pulse/zc-430-new-automatic-high-precission-drilling-tapping-mina-chan
www.youtube.com/watch?v=N5MID_T2xxg
www.cnczone.com/forums/vertical-mill-lathe-project-log/213078-brother-tc225-retrofit-2.html
www.machineryvalues.com/xdetails.cfm/QN/153676
promarchive.com/catalog/976/993