淺談關于數控刀庫設計中存在的問題及對策分析

王東輝

（內蒙古工業大學工程訓練教學部，內蒙古 呼和浩特 010080）

刀庫系統的出現是為了解決生產中存在的效率問題，在以前加工過程中，不同類型的產品需要使用不同類型的刀具來進行處理，而且對產品處理的要求也大不相同，這就導致了在加工過程中必須停下來換刀，相應的機器設備就需要停工進行等待，如果中斷設備運行，重啟需要耗費更長的時間；只能使設備保持原狀態等待換刀過程的結束，這時也會引起電能的消耗，工序進行的時間也會相應地增長，也導致了效率的降低。為了解決這個問題，我們事先把需要使用的刀具存放在刀庫系統中，并在計算機的控制下進行生產過程的換刀、加工等動作，計算機與人力相比速度更快，更節省時間。數控刀庫設計的目的在于實現在生產過程中全自動、快速地換刀，從而提高生產效率。下面我們就對設計過程中存在的一些問題進行探討與分析，并尋找相應的解決方案。

1 換刀過程的實現

本次設計中采用的是帶有機械手的自動換刀裝置，在計算機控制下由機械手實現取刀、換刀等操作。在沒有工作命令的狀態下，機械手的兩個刀夾處在緊閉狀態下。緊閉狀態的保持既可以通過彈簧實現，也可以通過電磁鐵來實現。通過彈簧可以降低電能的消耗，而電磁鐵易于控制，通過改變流過電流的大小，就可以很好地改變機械手閉合的程度。在實際應用中，可以根據需要自行選取控制的方式。當設備開始工作時，計算機會向機械手發出命令，機械手會隨之移動到系統要求的換刀位置。而與此同時，操作中所需要的刀具也會在傳動裝置的作用下移動到相同的位置，當刀具到達指點位置后，系統收到反饋。如何判斷刀具是否到達指定位置可以通過安裝光電門來實現，一旦到達預定位置，光電門就會向系統傳遞信號通知計算機，計算機接到這個信號后，再向機械手發出取刀命令。接到取刀命令后，機械手的兩個刀夾單元自動松開，定位到所需刀具后再進行夾持，在彈簧或電磁鐵的作用下緊緊夾住刀具。刀具離開傳送裝置，傳送裝置會根據系統的需要前進或者后退，同時機械手會回到初始位置進行工作。通過上述對工作過程的分析，可以意識到換刀過程中最關鍵的就是定位問題。

2 機械手的設計

在換刀過程中，機械手夾持力大小的控制是比較關鍵的一個步驟。如果施加的力過大，機械手的承重就比較大，也有可能對刀具造成損害，甚至有可能夾壞刀具。如果施加的力過小，道具有可能會中途掉落，對操作人員和整個系統都有很大的風險，甚至會造成安全事故。因此，如何精確的控制施加力的大小是我們必須要解決的問題。在使用彈簧控制取刀的裝置中，彈簧的選取和安放就非常重要。為了保證兩只機械手施加力的均勻，彈簧的彈性系數，長度各方面最好一致。此外，還應保證彈簧在機械手中安裝的位置要對稱。為了避免機械手夾斷刀具的情況發生，對機械手的制作材料也有一定的要求，它的硬度要比刀具小，但為了耐用性又不能太小。

3 傳動裝置的設計

傳動軸的存在是實現換刀過程的重要保障，設備所要切換的道具放置在傳動軸上，并根據傳動裝置的運動而移動，從而實現換刀動作。出于安全考慮，我們需要對軸的轉動速度和力矩進行計算分析，并要考慮放置在傳動裝置上的刀具的重量。在實際應用中，傳動軸的轉速決定著換刀所需的時間，但轉速不能太快，一是考慮到電動機的功率，二是如果轉速過高會導致與空氣摩擦產生熱量，存在安全隱患。因此轉速的精確控制也是我們需要考慮的一個問題，可以使用傳感器和反饋系統實現對系統轉速的控制。

4 選擇刀具的方法

工作中機械手就可以按工序進行的順序進行切換，每道工序執行的時間也是已知的，我們既可以通過硬件，如定時器來驅動控制何時進行換刀，也可以通過軟件即計算機編程來決定換刀的時間。用硬件驅動可靠性高，工作速度快，但外部線路的開銷比較大；軟件驅動可以節省外部電路，但編程過程復雜，軟件設計人員需要對其進行不斷的調試。總之，這種順序換刀方式節省了計算機編程和傳動系統的開銷，缺點是靈活性小，只能適用于一道工序。在工作過程中，一種刀具有可能會重復使用多次，這就造成了資源的浪費，無形中也擴大了所需刀庫的容量。為了解決這個問題，我們可以對不同類型的刀具進行編號，然后把已經編號的刀具存放在刀盤中固定的位置，并把編號的代碼存在計算機系統中。一旦將編號保存到系統中，刀具在刀盤中的位置便不能改變，否則就會造成工序出錯，達不到加工的效果。接下來我們可以通過編寫程序的方法實現對各種型號的刀具的切換，當需要使用某一種類型的刀具時，就會通過調用相應的子程序來控制刀庫系統換刀，同時，傳動裝置也會將刀具送到指定位置。這大大提高了操作的靈活性，也在一定程度上降低了所需刀盤的容量，而且如果設置得當，容量足夠大，基本可以用于任何工序的生產。

5 刀盤類型的選擇及其容量配置

不同的刀庫其容量、外觀形狀和換刀的方式各不相同，常見的刀盤有斗笠式、圓盤式、傳送帶式等。斗笠式刀庫在換刀時必須整體隨傳動裝置移動。圓盤式的優點是負荷小，經常用于小型加工設備。傳送式的容量一般比前兩者較大，并且在結構上比圓盤式要簡單，轉換速度快，可靠性高，相應地因為性能的優越造價就比較高，所以傳送帶式刀盤一般需要客戶自己定制。對于各種類型的刀盤，當刀具較少時，相互之間的位置都可以比較遠，但當容量要求比較大時，在結構上就可以緊湊些，但是程度是有限的，如果靠得過近，反而會影響到正常的工作。因此，為了擴大容量，我們還可以采用雙圓盤式，即在圓盤式的下端也放置刀具，相應的，傳送帶式可以通過增長傳送帶的方法來擴大容量。

6 動力系統的選擇

不同的動力系統有各自的特點和適用范圍，目前常見的動力裝置有液壓式、氣壓式以及電動機式。液壓式即通常所說的油壓式，基本結構包括：活塞、活塞桿、缸蓋、密封裝置，根據特殊場合的需要，還可以添加進行緩沖和實現排氣的裝置。它的優點是結構比較簡單易行，工作過程中具有更高的可靠性，而且與其他類型的動力系統相比，在相同的體積下可以產生更高的動力，換句話說，如果想滿足同等功率的要求，所需液壓缸的體積會比氣壓缸和電動機要小，并且結構也比較簡單，節約空間。當用液壓缸實現往復運動時，可以不需要減速裝置，在工作過程中運行比較平穩。

7 提高換刀速度的方法

在工業生產中，時間就意味著效率和金錢。數字控制的換刀系統的出現本身就是為了提高效率和節省時間，提高換刀速度是工程師在進行設計時追求的首要目標。從物理學的角度來分析，換刀運動對于機械手來說不是平動而是轉動，因此，換刀速度的快慢取決于轉動慣量的大小，轉動慣量越小，換刀速度越快。從機械手轉動慣量的角度分析，影響機械手換刀速度的原因主要有以下幾個方面：（1）刀臂即機械手兩刀夾單元的長度。（2）機械手兩刀夾單元的角度。（3）動力系統的質量和提供的動力大小。接下來我們將分別對這幾個因素進行探討和分析，從而找到提高換刀速度的方法。

7.1 機械手兩刀夾單元的長度的長度和角度

機械手在換刀過程中進行的不是平動而是轉動，因此轉動的速度要受到自身長度和轉動角度的影響。刀夾單元的長度不宜太長，進行夾刀動作時張開的角度應正好能夾到刀即可。除此之外，機械手自身的質量也會影響到轉動的速度，在制造時可以選取適當的材料，密度要小，硬度要大。

7.2 機械手在旋轉時的旋轉方向

在圓盤式刀庫系統中，當進行換刀動作時，為了加快工作速度，機械手旋轉的角度和距離應該是最小和最近的。舉個例子來說明如何選擇，有二十四個刀具的圓盤式刀庫系統，其刀具的編號由1到24順時針順序排列。如果在工作時，當前機械手正對的刀具單元是9號位，下一次換刀時需要旋轉到4號位，此時就要按逆時針旋轉，這樣走過的距離才是最小的。為了實現這種智能控制，在進行程序設計時要加入一個進行距離判斷的程序，可以對當前編號到下一編號的距離進行計算，并作出決策，即進行順時針旋轉還是逆時針旋轉。

7.3 動力系統的影響

動力系統提供的動力大小直接影響了傳動裝置的旋轉速度，在進行動力系統如液壓缸和電動機的選擇時要選取適當的型號。

8 結語

自動刀庫的發展依賴于計算機技術的進步和制造工藝的發展。精準定位，轉速控制，夾持力大小的控制，刀盤系統的容量大小都是設計過程中比較重要的一些問題，隨著傳感器技術的進步，我相信這些都會得到很好的解決。數控技術未來的發展趨勢必將是全自動化、智能化、多功能化。