مبدأ وخطوات تغيير الأدوات تلقائيًا في مراكز تصنيع الآلات ذات التحكم الرقمي
ملخص: تتناول هذه الورقة البحثية بالتفصيل أهمية جهاز تغيير الأدوات الآلي في مراكز التصنيع باستخدام الحاسب الآلي، ومبدأ تغيير الأدوات الآلي، وخطواته المحددة، بما في ذلك جوانب مثل تحميل الأدوات، واختيارها، وتغييرها. وتهدف إلى تحليل تقنية تغيير الأدوات الآلي بعمق، وتقديم دعم نظري وإرشادات عملية لتحسين كفاءة ودقة المعالجة في مراكز التصنيع باستخدام الحاسب الآلي، ومساعدة المشغلين على فهم هذه التقنية الأساسية وإتقانها بشكل أفضل، ومن ثم تحسين كفاءة الإنتاج وجودة المنتج.
أولا: المقدمة
باعتبارها معدات أساسية في التصنيع الحديث، تلعب مراكز التصنيع باستخدام الحاسب الآلي (CNC) دورًا محوريًا بفضل أجهزة تغيير الأدوات الآلية، وأنظمة أدوات القطع، وأجهزة تغيير المنصات الآلية. يُمكّن استخدام هذه الأجهزة مراكز التصنيع من إكمال معالجة أجزاء متعددة من قطعة العمل بعد تركيبها، مما يقلل بشكل كبير من وقت التوقف غير الناتج عن الأعطال، ويختصر دورة تصنيع المنتج بفعالية، وله أهمية كبيرة في تحسين دقة معالجة المنتجات. وباعتباره العنصر الأساسي، يرتبط أداء جهاز تغيير الأدوات الآلي ارتباطًا مباشرًا بكفاءة المعالجة. لذلك، فإن البحث المتعمق في مبدأه وخطواته له قيمة عملية بالغة الأهمية.
II. مبدأ تغيير الأدوات تلقائيًا في مراكز التصنيع باستخدام الحاسب الآلي
(أ) العملية الأساسية لتغيير الأدوات
على الرغم من وجود أنواع مختلفة من مخازن الأدوات في مراكز تصنيع الآلات ذات التحكم الرقمي (CNC)، مثل مخازن الأدوات القرصية والسلسلة، إلا أن عملية تغيير الأدوات الأساسية متسقة. عندما يتلقى جهاز تغيير الأدوات التلقائي تعليمات تغيير الأدوات، يبدأ النظام بأكمله برنامج تغيير الأدوات بسرعة. أولًا، يتوقف المغزل عن الدوران فورًا ويستقر بدقة عند موضع تغيير الأدوات المحدد مسبقًا من خلال نظام تحديد المواقع عالي الدقة. بعد ذلك، تُفعّل آلية فك تثبيت الأدوات لجعل الأداة على المغزل في حالة قابلة للاستبدال. في هذه الأثناء، ووفقًا لتعليمات نظام التحكم، تُشغّل مخزن الأدوات أجهزة النقل المقابلة لتحريك الأداة الجديدة بسرعة ودقة إلى موضع تغيير الأدوات، وتُجري أيضًا عملية فك تثبيت الأدوات. بعد ذلك، يعمل المُناول ثنائي الذراع بسرعة على التقاط كل من الأدوات الجديدة والقديمة بدقة في نفس الوقت. بعد دوران طاولة تغيير الأدوات إلى الموضع الصحيح، يُثبّت المُناول الأداة الجديدة على المغزل ويضع الأداة القديمة في الموضع الفارغ لمخزن الأدوات. وأخيرا، يقوم المغزل بعملية التثبيت لتثبيت الأداة الجديدة بقوة ويعود إلى موضع المعالجة الأولي وفقا لتعليمات نظام التحكم، وبالتالي إكمال عملية تغيير الأداة بأكملها.
(II) تحليل حركة الأدوات
أثناء عملية تغيير الأداة في مركز التصنيع، تتكون حركة الأداة بشكل أساسي من أربعة أجزاء رئيسية:
- تتوقف الأداة مع المغزل وتنتقل إلى موضع تغيير الأداة: تتطلب هذه العملية توقف المغزل عن الدوران بسرعة ودقة، ثم ينتقل إلى موضع تغيير الأداة المحدد عبر نظام تحريك محاور إحداثيات أداة الآلة. عادةً، يتم تحقيق هذه الحركة بواسطة آلية نقل، مثل زوج البراغي والصواميل، التي يُشغّلها المحرك، لضمان دقة تحديد موضع المغزل بما يتوافق مع متطلبات المعالجة.
- حركة الأداة في مخزن الأدوات: يعتمد وضع حركة الأداة في مخزن الأدوات على نوعها. على سبيل المثال، في مخزن الأدوات ذي السلسلة، تتحرك الأداة إلى الموضع المحدد مع دوران السلسلة. تتطلب هذه العملية تحكمًا دقيقًا من محرك تشغيل مخزن الأدوات في زاوية دوران السلسلة وسرعتها لضمان وصول الأداة إلى موضع التغيير بدقة. أما في مخزن الأدوات ذي القرص، فيتم تحديد موضع الأداة من خلال آلية دوران مخزن الأدوات.
- نقل حركة الأداة باستخدام مناور تغيير الأداة: تُعد حركة مناور تغيير الأداة معقدة نسبيًا، إذ تتطلب تحقيق حركات دورانية وخطية. خلال مرحلتي مسك الأداة وتحريرها، يحتاج المناور إلى الاقتراب من الأداة ومغادرتها من خلال حركة خطية دقيقة. عادةً ما يتم تحقيق ذلك من خلال آلية الجريدة والترس التي تُدار بواسطة أسطوانة هيدروليكية أو أسطوانة هوائية، والتي تُحرك بدورها الذراع الميكانيكية لتحقيق حركة خطية. خلال مرحلتي سحب الأداة وإدخالها، بالإضافة إلى الحركة الخطية، يحتاج المناور أيضًا إلى إجراء زاوية دوران معينة لضمان إمكانية سحب الأداة وإدخالها بسلاسة من المغزل أو مخزن الأداة. تتحقق هذه الحركة الدورانية من خلال التعاون بين الذراع الميكانيكية وعمود التروس، بما في ذلك تحويل الأزواج الحركية.
- حركة الأداة للعودة إلى موضع المعالجة مع النقش: بعد انتهاء تغيير الأداة، يجب أن يعود المغزل بسرعة إلى موضع المعالجة الأصلي مع الأداة الجديدة لمواصلة عمليات المعالجة اللاحقة. تشبه هذه العملية حركة الأداة إلى موضع تغيير الأداة، ولكن في الاتجاه المعاكس. كما تتطلب دقة عالية في تحديد الموضع واستجابة سريعة لتقليل وقت التوقف أثناء عملية المعالجة وتحسين كفاءتها.
ثالثًا: خطوات تغيير الأدوات تلقائيًا في مراكز التصنيع باستخدام الحاسب الآلي
(أ) تحميل الأدوات
- طريقة تحميل حامل الأداة العشوائية
تتميز طريقة تحميل الأدوات هذه بمرونة عالية نسبيًا. يمكن للمشغلين وضع الأدوات في أي حامل أدوات في مخزن الأدوات. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أنه بعد اكتمال تركيب الأداة، يجب تسجيل رقم الحامل الذي توجد فيه الأداة بدقة، ليتمكن نظام التحكم من تحديد موقع الأداة واستدعائها بدقة وفقًا لتعليمات البرنامج في عملية المعالجة اللاحقة. على سبيل المثال، في بعض عمليات معالجة القوالب المعقدة، قد يلزم تغيير الأدوات بشكل متكرر وفقًا لإجراءات معالجة مختلفة. في هذه الحالة، يمكن لطريقة تحميل الأدوات العشوائية ترتيب مواقع تخزين الأدوات بسهولة وفقًا للوضع الفعلي، مما يُحسّن كفاءة تحميل الأدوات. - طريقة تحميل حامل الأداة الثابتة
تختلف طريقة تحميل حامل الأدوات الثابت عن طريقة تحميل حامل الأدوات العشوائي، حيث تتطلب وضع الأدوات في حوامل أدوات مُعدّة مسبقًا. وتكمن ميزة هذه الطريقة في ثبات مواضع تخزين الأدوات، مما يُسهّل على المُشغّلين تذكرها وإدارتها، كما يُسهّل تحديد مواقع الأدوات واستدعائها بسرعة بواسطة نظام التحكم. في بعض مهام معالجة الإنتاج بالدفعات، إذا كانت عملية المعالجة ثابتة نسبيًا، فإن استخدام طريقة تحميل حامل الأدوات الثابت يُحسّن استقرار وموثوقية المعالجة، ويُقلل من حوادث المعالجة الناتجة عن مواضع تخزين الأدوات غير الصحيحة.
(II) اختيار الأدوات
يُعد اختيار الأدوات حلقةً أساسيةً في عملية تغيير الأدوات تلقائيًا، ويهدف إلى اختيار الأداة المحددة من مخزن الأدوات بسرعة ودقة لتلبية احتياجات إجراءات المعالجة المختلفة. حاليًا، هناك طريقتان شائعتان لاختيار الأدوات:
- اختيار الأدوات المتسلسلة
تتطلب طريقة اختيار الأدوات التسلسلية من المشغلين وضع الأدوات في حاملاتها وفقًا لتسلسل العملية التكنولوجية عند تحميلها. أثناء عملية المعالجة، يأخذ نظام التحكم الأدوات واحدة تلو الأخرى وفقًا لتسلسل وضعها، ثم يعيدها إلى حاملاتها الأصلية بعد الاستخدام. تتميز طريقة اختيار الأدوات هذه بسهولة تشغيلها وانخفاض تكلفتها، وهي مناسبة لبعض مهام المعالجة ذات عمليات معالجة بسيطة نسبيًا وتسلسلات استخدام ثابتة للأدوات. على سبيل المثال، عند معالجة بعض أجزاء العمود البسيطة، قد يلزم استخدام عدد قليل فقط من الأدوات بتسلسل ثابت. في هذه الحالة، يمكن لطريقة اختيار الأدوات التسلسلية تلبية متطلبات المعالجة وتقليل تكلفة وتعقيد المعدات. - اختيار أداة عشوائية
- ترميز حامل الأداة - اختيار الأداة
تتضمن طريقة اختيار الأدوات هذه ترميز كل حامل أداة في مخزن الأدوات، ثم وضع الأدوات المقابلة لرموز حامل الأداة في الحوامل المحددة واحدًا تلو الآخر. عند البرمجة، يستخدم المشغلون العنوان T لتحديد رمز حامل الأداة حيث توجد الأداة. يحرك نظام التحكم مخزن الأدوات لتحريك الأداة المقابلة إلى موضع تغيير الأداة وفقًا لمعلومات الترميز هذه. تتمثل ميزة طريقة اختيار أداة ترميز حامل الأداة في أن اختيار الأداة أكثر مرونة ويمكنه التكيف مع بعض مهام المعالجة ذات عمليات المعالجة المعقدة نسبيًا وتسلسلات استخدام الأداة غير الثابتة. على سبيل المثال، في معالجة بعض أجزاء الطيران المعقدة، قد تحتاج الأدوات إلى تغيير متكرر وفقًا لأجزاء المعالجة المختلفة ومتطلبات العملية، ويكون تسلسل استخدام الأداة غير ثابت. في هذه الحالة، يمكن لطريقة اختيار أداة ترميز حامل الأداة تحقيق اختيار واستبدال الأدوات بسرعة وسهولة وتحسين كفاءة المعالجة. - اختيار أداة ذاكرة الكمبيوتر
اختيار الأدوات باستخدام ذاكرة الحاسوب هو أسلوب اختيار أدوات أكثر تطورًا وذكاءً. في هذه الطريقة، تُحفظ أرقام الأدوات ومواضع تخزينها أو أرقام حاملها في ذاكرة الحاسوب أو وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة. عند الحاجة إلى تغيير الأدوات أثناء عملية المعالجة، يحصل نظام التحكم مباشرةً على معلومات مواقع الأدوات من الذاكرة وفقًا لتعليمات البرنامج، ويُشغّل مخزن الأدوات لنقلها بسرعة ودقة إلى موضع تغييرها. علاوة على ذلك، بفضل قدرة الحاسوب على تذكر تغيير عنوان تخزين الأدوات آنيًا، يُمكن إخراج الأدوات وإعادتها عشوائيًا إلى مخزن الأدوات، مما يُحسّن بشكل كبير من كفاءة الإدارة ومرونة استخدام الأدوات. تُستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع في مراكز التصنيع باستخدام الحاسب الآلي الحديثة عالية الدقة والكفاءة، وهي مناسبة بشكل خاص لمهام المعالجة ذات العمليات المعقدة وأنواع متعددة من الأدوات، مثل معالجة قطع مثل كتل محركات السيارات ورؤوس الأسطوانات.
(ثالثا) تغيير الأدوات
يمكن تقسيم عملية تغيير الأداة إلى المواقف التالية وفقًا لأنواع حاملات الأداة على المغزل والأداة التي سيتم استبدالها في مجلة الأداة:
- توجد كل من الأداة الموجودة على المغزل والأداة التي سيتم استبدالها في مخزن الأدوات في حاملات أدوات عشوائية
في هذه الحالة، تكون عملية تغيير الأداة كما يلي: أولاً، يقوم مخزن الأدوات بعملية اختيار الأداة وفقًا لتعليمات نظام التحكم لتحريك الأداة المراد استبدالها بسرعة إلى موضع تغيير الأداة. بعد ذلك، يمتد المعالج ذو الذراعين للإمساك بدقة بالأداة الجديدة في مخزن الأدوات والأداة القديمة على المغزل. بعد ذلك، يدور طاولة تبديل الأدوات لتدوير الأداة الجديدة والأداة القديمة إلى المواضع المقابلة للمغزل ومخزن الأدوات على التوالي. وأخيرًا، يُدخل المعالج الأداة الجديدة في المغزل ويثبتها، وفي الوقت نفسه، يضع الأداة القديمة في الموضع الفارغ لمخزن الأدوات لإكمال عملية تغيير الأداة. تتميز طريقة تغيير الأداة هذه بمرونة عالية نسبيًا ويمكنها التكيف مع العديد من عمليات المعالجة المختلفة ومجموعات الأدوات، ولكنها تتطلب متطلبات أعلى لدقة المعالج وسرعة استجابة نظام التحكم. - يتم وضع الأداة الموجودة على المغزل في حامل أداة ثابت، والأداة المراد استبدالها موجودة في حامل أداة عشوائي أو حامل أداة ثابت
عملية اختيار الأدوات مشابهة لطريقة اختيار حامل الأدوات العشوائي المذكورة أعلاه. عند تغيير الأداة، وبعد إخراجها من المغزل، يجب تدوير مخزن الأدوات مسبقًا إلى الوضع المحدد لاستقبال أداة المغزل، وذلك لإعادتها بدقة إلى المخزن. تُعد طريقة تغيير الأدوات هذه أكثر شيوعًا في بعض مهام المعالجة ذات عمليات المعالجة الثابتة نسبيًا وتكرارات الاستخدام العالية لأداة المغزل. على سبيل المثال، في بعض عمليات معالجة الثقوب في الإنتاج الدفعي، قد تُستخدم مثاقب أو موسعات خاصة على المغزل لفترات طويلة. في هذه الحالة، يُحسّن وضع أداة المغزل في حامل أدوات ثابت من استقرار وكفاءة المعالجة. - الأداة الموجودة على المغزل موجودة في حامل أداة عشوائي، والأداة التي سيتم استبدالها موجودة في حامل أداة ثابت
تتضمن عملية اختيار الأدوات أيضًا اختيار الأداة المحددة من مخزن الأدوات وفقًا لمتطلبات عملية المعالجة. عند تغيير الأداة، سيتم إرسال الأداة المأخوذة من المغزل إلى أقرب موضع فارغ للاستخدام اللاحق. تراعي طريقة تغيير الأدوات هذه، إلى حد ما، مرونة تخزين الأدوات وسهولة إدارة مخزن الأدوات. وهي مناسبة لبعض مهام المعالجة ذات عمليات المعالجة المعقدة نسبيًا، وأنواع متعددة من الأدوات، وترددات استخدام منخفضة نسبيًا لبعض الأدوات. على سبيل المثال، في بعض عمليات معالجة القوالب، يمكن استخدام أدوات متعددة بمواصفات مختلفة، ولكن يتم استخدام بعض الأدوات الخاصة بشكل أقل تكرارًا. في هذه الحالة، يمكن أن يؤدي وضع هذه الأدوات في حوامل أدوات ثابتة وتخزين الأدوات المستخدمة على المغزل بالقرب منها إلى تحسين معدل استخدام مساحة مخزن الأدوات وكفاءة تغيير الأدوات.
رابعًا: الخاتمة
إن مبدأ وخطوات تغيير الأدوات تلقائيًا في مراكز تصنيع الآلات باستخدام الحاسب الآلي (CNC) عبارة عن هندسة أنظمة معقدة ودقيقة، تتطلب معرفة تقنية في مجالات متعددة، مثل البنية الميكانيكية، والتحكم الكهربائي، وبرمجة البرمجيات. يُعد الفهم المتعمق لتقنية تغيير الأدوات تلقائيًا وإتقانها أمرًا بالغ الأهمية لتحسين كفاءة المعالجة، ودقتها، وموثوقية معدات مراكز تصنيع الآلات باستخدام الحاسب الآلي. مع التطور المستمر لصناعة التصنيع والتقدم التكنولوجي، ستواصل أجهزة تغيير الأدوات تلقائيًا في مراكز تصنيع الآلات باستخدام الحاسب الآلي الابتكار والتحسين، متوجهةً نحو سرعات ودقة أعلى وذكاء أكبر لتلبية الطلب المتزايد على معالجة الأجزاء المعقدة، وتوفير دعم قوي لتعزيز تحول وتطوير صناعة التصنيع. في التطبيقات العملية، ينبغي على المشغلين اختيار أساليب تحميل الأدوات، وطرق اختيارها، واستراتيجيات تغييرها بشكل معقول، وفقًا لخصائص ومتطلبات مهام المعالجة، وذلك للاستفادة الكاملة من مزايا مراكز تصنيع الآلات باستخدام الحاسب الآلي، وتحسين كفاءة الإنتاج وجودة المنتج. وفي الوقت نفسه، ينبغي على مصنعي المعدات أيضًا التحسين المستمر لعمليات تصميم وتصنيع أجهزة تغيير الأدوات تلقائيًا لتحسين أداء المعدات واستقرارها، وتزويد المستخدمين بحلول تصنيع باستخدام الحاسب الآلي عالية الجودة وأكثر كفاءة.