Nowoczesne zakłady produkcyjne dążą do automatyzacji produkcji, w tym poszczególnych procesów technologicznych. Zastosowanie różnego rodzaju robotów przemysłowych i centrów obróbczych ma usprawniać i przyspieszać wytwarzanie, jednak bez odpowiednich systemów szybkiej wymiany narzędzi może się okazać, że nie są one optymalnie wykorzystywane. Każda przerwa w ich działaniu może oznaczać spore straty dla zakładu, dlatego dobrze jest ograniczyć to ryzyko do minimum. 

Chociaż w zależności od konkretnego procesu technologicznego wymiana narzędzi następuje z różną częstotliwością, to jednak jest ona nieodłącznym elementem pracy większości maszyn obróbczych i robotów. 

Żonglerka końcówkami

Systemy wymiany narzędzi w przemyśle najczęściej polegają na wymianie efektorów końcowych, czyli urządzeń umieszczonych na końcu ramienia robota. Dzięki nim robot może m.in. chwytać, spawać, malować, wiercić bądź frezować – lista funkcjonalności jest dużo dłuższa i zależy od konkretnych potrzeb producenta.

Jednak mimo że robot wykonujący różne zadania jest dużym usprawnieniem produkcji, to „żonglowanie” jego wymiennymi końcówkami stanowi dziś coraz większe wyzwanie dla przedsiębiorców. Coraz częściej bowiem stają oni przed koniecznością realizacji zadań w ramach produkcji zindywidualizowanej. Wytwarzanie niewielkich lub nawet jednostkowych partii produktów sprawia, że w ciągu jednego dnia trzeba wielokrotnie przezbrajać maszyny. Niestety niezautomatyzowany proces wymiany końcówek może być nie tylko długotrwały, ale i niebezpieczny dla pracownika.

Efektory końcowe muszą być wymieniane także w przypadku naturalnego zużycia znajdujących się na nich narzędzi. Taka sytuacja bardzo często występuje w branżach stosujących obróbkę skrawaniem. Długotrwała praca maszyn frezarskich i tokarskich przy dużych prędkościach sprawia, że ostrza skrawające i frezy mają niską trwałość i muszą być zmieniane stosunkowo często. Ponadto zdarzają się zużycia awaryjne na skutek pęknięcia lub wykruszenia narzędzia obróbczego. 

Wymierna oszczędność

Automatyczna wymiana głowic efektorów końcowych z narzędziami to wymierna korzyść dla zakładu produkcyjnego. Zautomatyzowanie tego procesu może sprawić, że zmiana będzie trwać zaledwie kilka lub kilkadziesiąt sekund, podczas gdy ręczna wymiana oprzyrządowania nawet wykwalifikowanemu operatorowi może zająć 30 minut. Oszczędność czasu to tylko jedna z zalet takiego systemu – kolejna to brak konieczności zatrudniania wyspecjalizowanej kadry do codziennej obsługi maszyny. Eliminowane jest także ryzyko niewłaściwego zamontowania nowej końcówki, co mogłoby skutkować uszkodzeniem narzędzi i narażałoby przedsiębiorstwo na zbędne koszty.

Różne parametry, ten sam cel

Na rynku dostępnych jest wiele systemów wymiany narzędzi. Wybór zależy tu od konkretnych potrzeb produkcyjnych. Ponieważ takie systemy mogą zwiększyć koszt inwestycji nawet o 10%, warto dobierać urządzenia jak najbardziej wszechstronne i elastyczne, jeśli chodzi o powtarzalność pracy robota, jego ładowność, mobilność i żywotność. 

W zależności od środowiska i sposobu wykorzystania systemu szybkiej wymiany narzędzi należy zwrócić uwagę na odmienne parametry. Na przykład w zależności od tego, czy wymieniane narzędzia będą lekkie czy ciężkie, także automatyczny system ich wymiany będzie miał inne rozmiary. Poza tym roboty i urządzenia, w których wykorzystuje się efektory, mogą wytwarzać moment obrotowy od dwóch do pięciu razy większy niż moment statyczny – z powodu dużego przyspieszenia. Dlatego zawsze warto sprawdzić specyfikację systemu szybkiej wymiany narzędzi pod kątem statycznego i dynamicznego momentu obrotowego. 

Konieczne jest także określenie liczby, rozmiaru i typu styków w zmieniaczu narzędzi, aby były one zgodne nie tylko z ramieniem używanego robota, ale i jego zastosowaniem. Dostawcy oferują wiele tego typu modułów, spośród których najpopularniejsze są pneumatyczne, hydrauliczne i elektryczne. Efektor końcowy może także być wyposażony w bardziej wyspecjalizowany moduł do przenoszenia śrub, nitów lub innych elementów złącznych. Od liczby potrzebnych modułów zależy też najczęściej kształt zmieniacza narzędzi. Najpopularniejsze są półokrągłe i kwadratowe, ponieważ większość zastosowań wymaga od dwóch do czterech takich modułów – co nie znaczy, że ich liczba nie może być większa.

W przypadku gdy robot ma być wykorzystywany w pomieszczeniach o dużych temperaturach lub będzie miał styczność z chemikaliami, warto porozmawiać z producentem o jego wytrzymałości na te czynniki, nie wszystkie bowiem systemy są do tego odpowiednio przystosowane. Jeśli oprzyrządowanie będzie bardzo często zmieniane, to szczególną uwagę należy zwrócić na to, czy powtarzalność mechanizmu została przetestowana na milion cykli i jaki był wynik testów. Ponadto wiele zmieniaczy narzędzi wpływa na pojemność chwilową robota, jego ładowność i powtarzalność, dlatego warto wybrać taki system, który przekracza nawet możliwości robota – aby go po prostu nie ograniczał.

Co wybrać?

Dobór odpowiedniego systemu wymiany narzędzi może być więc trudnym zadaniem. Może w tym pomóc oferowana przez firmę Stäubli modułowa koncepcja produktów z trzema ścieżkami automatyzacji wymiany narzędzi. Dzięki niej przedsiębiorca może wybrać rozwiązanie o konkretnym stopniu uniwersalności w zależności od swoich potrzeb i planowanego przeznaczenia robota przemysłowego. MPS Complete to wstępnie skonfigurowane roboty do wymiany większości standardowych narzędzi, które są gotowe do natychmiastowego użycia. System MPS Modular pozwala użytkownikowi na określenie konfiguracji zrobotyzowanego systemu, dzięki czemu można spełnić specyficzne potrzeby konkretnych aplikacji. MPS Customized natomiast to najbardziej złożony system, umożliwiający spełnienie indywidualnych potrzeb producenta.

W portfolio firmy Schunk można znaleźć efektory do automatycznej lub ręcznej wymiany narzędzi, które nadają się zarówno dla niewielkich, jak i dużych obciążeń robota. Jednym z nich jest dwuczęściowy system SWS, który składa się z głowicy po stronie robota oraz z adaptera umożliwiającego zamontowanie narzędzia z wykorzystaniem mechanicznych elementów kulowych i zasilania sprężonym powietrzem poprzez zintegrowane zawory.

Wymienne końcówki narzędziowe stosuje się też w różnego typu obrabiarkach i tokarkach. Można w nich wykorzystywać np. magazynki pozwalające na składowanie narzędzi do wymiany. Taką opcję oferuje obrabiarka MMC 1500 firmy Kovosvit MAS, której zasobnik mieści do 30 różnych narzędzi. Dzięki temu nie tylko usprawnia ona proces ich wymiany, ale też ogranicza potrzebę częstych wizyt w magazynie.

Do tej pory to człowiek często był bardziej wielozadaniowy w swojej pracy niż maszyny – mimo ich wysokiego zaawansowania technologicznego. Jednak dzięki automatycznym systemom wymiany narzędzi jeden robot może zyskać wiele różnych wcieleń, co ma ogromny wpływ na wydajność produkcji, a nawet działanie całego zakładu.