數控刀庫設計中存在的問題及對策探析
2024-5-29 來源：通用技術集團大連機床有限責任公司 作者：王盟；孫造；唐倩；李金鳳
摘要：近幾年電子信息技術的不斷發展，在個行業的生產工作中都得到了廣泛的應用，利用計算機技術進行數字控制越來越成熟和先進，極大的提升了加工機床的效率及可靠性，數控加工中心配置刀庫，能夠實現快速自動換刀，極大的提升了零件加工的質量與效率，對加工機床效率的提升起著決定性作用，因此，本文就數控刀庫設計中存在的問題進行分析，并提出相應的優化對策。
關鍵詞：數控；刀庫設計；問題；對策
0 引言
刀庫系統極大的解決了當前生產過程中的效率問題，改變了傳統產品加工、處理方式，將使用的刀具事先放到刀庫系統中，在計算機技術的控制下，實現生產過程中的換刀、加工等動作的自動化，節省更多的時間，數控刀庫設計的主要目的是為了實現生產過程的全自動及快速換刀，從而提升生產效率，本文就數控刀庫設計中存在的問題，尋求相應的對策，從而進一步提升生產效率。
1 、換刀過程中的問題及對策
數控設計中換刀過程的實現，是通過計算機對機械手的控制，進而實現取刀、換刀等操作的，在沒有命令工作命令的狀態下，機械手是緊閉的，一般通過彈簧或電磁鐵來實現緊閉狀態[1]。利用彈簧能夠減少電能的消耗，而利用電磁鐵則更好控制機械手的閉合程度，這需要根據實際的需求狀況來確定；在開始工作時，計算機向機械手發出指令，并根據系統的要求移動到換刀位置，并將需要的刀具移動到相同的位置，反饋到系統中。
刀具到達固定位置夠就會通過電光門想系統傳遞信號，之后命令機械手取刀，渠道后機械手回到初始位置進行換刀。整個過程中，我們可以發現定位問題是比較關鍵的，在取刀、換刀的過程中，都需要機械手或傳送裝置定位的準確性，確保能夠在預定的位置上進行操作。
2 、機械手設計中的問題及對策
對換刀過程的了解，可以看出機械手在這個過程中起著關鍵性的作用，而在取刀、換刀的過程中，機械手力的大小控制十分重要，若施加的力過大，就可能會損壞刀具，若過小則難以夾緊刀具，導致中途掉落，影響整個加工過程的順利進行[2]。因此如何控制機械手里的大小是機械手設計中較為關鍵性的問題。
主要存在與使用彈簧控制的裝置中，需要重視彈簧的選擇和位置的安放，需要確保彈簧的彈性系數、長度等各方面保持一致，安放的位置要兩只機械手中對稱；其次為避免機械手夾斷刀具，機械手制作材料的硬度需要小于刀具，還需要具有一定的耐用性。
3 、傳動裝置設計中的問題及對策
傳送裝置是將刀具傳輸到預定位置的主要工具，其中傳動軸是實現換刀過程的一個重要保障，將需要切換的刀具放到傳動軸上，并隨著傳動裝置進行移動，實現換刀的操作過程，但是為進一步確保生產的安全性，需要對傳動軸的轉動速度及力矩進行相應的計算分析[3]，以及需要傳送刀具的重量，這些都對換刀過程有著極大的影響。
其中傳動軸的轉速決定者換刀需要的時間，但是如果轉速過快，就需要考慮到電動機的功率能否達到相應的需求；另外是如果轉速過快還可能會導致轉動軸與空氣間的摩擦產生的熱量，存在一定的安全隱患。因此需要對轉動軸的轉速控制的問題，是傳送裝置設計中的主要問題。我們可以通過借助于計算機技術，利用傳感器及反饋系統對轉速及傳送過程的反饋，進行轉速的準確控制，使其能夠在合適的轉速范圍內，按時間達到預定的位置。
4 、刀具的選擇辦法
在數控加工機床工作的過程中，機械手能夠依照工序的需求進行相應的切換，通常來說每道工作操作的時間都是固定的，硬度可以通過定時實現其對換刀時間的有效控制，另外還可以通過采用計算機軟件編程的方式來控制和決定換刀的時間。
其中通過硬件即定時器驅動具有更高的可靠性，且工作速度也比較快，但會在一定程度上增加外部線路的成本；而采用軟件即計算機編程的方式，能夠極大的減少外部線路的成本，但編程的過程較為復雜，需要進行不斷的調試[4]，才能確定一個合適的時間及程序，確保換刀工作的順利進行。
因此可見這兩種換刀的方法均有一定的優勢及缺點，因此適用的工序范圍也比較有限，而在實際工作中，一種刀具往往需要多次重復使用，來回變換換刀方法會造成一定的資源浪費，也增加了刀庫的容量，因此對刀具的選擇辦法也成為了換刀過程中需要解決的一個問題。
我們可以將不同類型的刀具進行編號，之后進行統一的歸類管理，將刀具的編碼代號存入到計算機系統當中，并將其放置在固定的位置上，且不能改變，之后通過計算機編程實現對各種型號刀具的切換，每種類型的刀具對已相應的換刀方法，通過子程序的調動實現刀庫系統換刀[5]，此時傳動裝置也會將相應的刀具送到預定的位置，極大的提高了換刀過程的靈活性，降低了當盤的容量，如果程序設置比較合理，基本上能夠滿足于人格工序生產的設置。
5、刀盤類型及容量配置的選擇
不同刀庫的容量、外觀形狀及換刀的方式有著一定的差別，在數控加工機床的生產過程中，常見的刀盤有斗笠式、圓盤式以及傳動帶式等幾種不同的形式[6]。其中斗笠式的反饋在換刀的過程中，必須要整體對轉動裝置進行移動；圓盤式的刀庫負荷比較小，常被用于各種小型設備的加工之中；而傳送帶式的刀盤容量則比前兩種要大很多，且在結構設計上也要比圓盤式刀庫簡單很多，有著較快的轉速，可靠性也比較強，但是這種刀盤相應的造價也會比較高，一般需要客戶根據自己的需求進行針對性的定制。
不論是什么樣類型的刀盤，在刀具使用量比較少的使用，之間間隔的距離會相對來說比較遠，但是當刀具容量較大的時候，就會在結構上緊湊一點，但其能夠承受的程度是十分有限的，一旦超過了限制就會對正常加工生產造成一定的影響。
因此在刀盤容量的設計上，為了滿足對大容量的需求，以及緊湊度的要求，可以通過采用雙圓盤的方式或是將傳送帶式刀盤增長傳送帶，這樣的方法來實現對刀盤擴容的需求，使得刀盤的容量能夠滿足與正常加工生產。
6 、動力系統的選擇
數控刀庫設計中，動力系統的合理選擇，也是影響其工作效果的重要因素。不同動力系統會有自己一定的特點以及適用的范圍，在當前的數控加工當中常用到的動力系統裝置有液壓式、氣壓式以及電動機式。其中液壓式的基本結構比較簡單，由活塞、活塞桿、缸蓋以及密封裝置等構成，并且還可以根據其使用場合的特殊性，還能夠添加緩沖以及排氣的實現裝置[7]，這種動力系統裝置，結構簡單且比較容易操作，在實際工作中具有更強的使用性以及可靠性，并且與其他類型的動力系統結構相比，其能夠在相同體積條件設定下產生更大的動力，也就是說采用液壓式的動力系統，其需要的液壓缸的體積要比氣壓缸及電動機要小的多，能夠在一定程度上節約出更多的空間，且在進行往復運動的過程中，不需要采用減速裝置，因此在工作運行的過程中，其提供的動力也更加的穩定，從而極大的節省了生產的成本。
7 、換刀速度的加快方式
數控刀庫設計的主要目的是為了實現生產過程的全自動及快速換刀，從而提升生產效率。因此在數控刀庫的設計中，對于如何提升換刀速度方式的研究、設計也就變得更為重要[8]，是工程師在進行數控刀庫設計書首要追求的一個目標。換刀的過程，從機械手的操作過程來看，是機械手轉動運動而非是平動運動，所以換刀速度在一定程度上與轉動慣量的大小有關聯，轉動慣量越小，換刀的速度也就越快。
其中影響機械手轉動慣量的原因有以下幾種：其一是機械手兩刀夾的單元長度；其二是機械手兩刀夾單元的角度大小；其三則是動力系統提供動力的大小對機械臂的影響。針對這三個問題，分別提出相應的優化對策，進而為提升換刀速度、促進效率的提高提供相應參考。
7.1 機械手兩刀夾單元長度及角度
根據上述對換刀過程的了解，可以看出機械手在換刀過程中是進行轉動運動，而非平動，所以其轉動的速度會在一定程度上受到機械手自身長度及轉動角度的影響。
如果機械手兩刀夾單元長度過長，就會導致其張開角度難以控制，過短則會延長及角度張開的時間，所以刀夾單元長度設置在加到動作時，其張開角度剛好能夠夾到刀具就可以，這就需要通過多次試驗操作分析后得出相應數值。另外機械手的質量也會對傳動的速度造成一定的影響，一般選擇使用密度小、硬度大但小于刀具的材料完成機械手的制作。
7.2 機械手旋轉角度
圓盤式刀庫系統，在換刀時，為了提升換刀的速度，一般會將機械手的旋轉角度與距離設置到最小及最近[9]，通過這種設計方式能夠使得機械手在最快的時間內完成取及換刀的過程，極大的節約了時間，進而加快了換刀的速度。
因此在數控刀庫的設計中，可以增加相應的智能控制系統，加入一個能夠進行距離判斷的程序，并將刀具的編號按照擺放的順序嚴格錄入到系統中，系統根據編號判斷刀具所需要的最小距離及旋轉角度，提前做出判斷，在對下一個刀具編號預判時，可以通過設置順時針、或逆時針的方式，去控制下一個刀具編號類型，從而實現智能化、全自動的換刀過程。
7.3 、動力系統的影響
動力系統的不同，對于其能夠提供給機械手動力的大小有直接的關系，而動力的大小還會直接影響傳動裝置的旋轉速度，換刀的過程是需要機械手機傳動裝置共同作用才能完成的，所以想要提升換刀速度，就需要對動力系統做好相應的控制，需要根據實際數控刀庫加工情況，選擇合適的型號的液壓缸或是電動機，確保其能夠提供足夠的動力，支持換刀過程的實現。
8 、結束語
綜上所述，隨著電子信息技術的發展，數控刀庫技術被廣泛的應用到零件的生產加工中，為了確保生產效率的提升，需要不斷的解決數控刀庫設計中精準定位、轉速控制以及機械手加持力大小等問題，從而使得換刀的速度不斷的加快，有效提升效率，促進生產的全自動化、智能化的進一步實現。
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