一種面向智能工廠的數控刀具室設計

李躍軍

廣州廣鐵科技有限公司 廣州 511400

數控刀具是數控機床切削加工中最重要的消耗性配置資源，數控刀具的智能化管理是智能化數控加工中的一個重要環節，它關系到工廠智能化程度以及生產成本控制水平的高低。當前，我國的數控機床應用水平有了大幅提升，柔性化數控制造中心大量建立。同時，在數控刀具管理方面，大部分企業還停留在傳統庫房管理的模式，因此建設一個面向智能工廠的智能化數控加工車間刀具管理室就顯得十分必要。

現狀與發展

目前大多數的數控加工車間的刀具管理，還是采用傳統的工具庫房管理方式，即數控機床操作員按照車間計劃員的工藝卡或刀具卡到刀具庫房進行領取刀柄、刀具以及刀片，由倉庫管理員進行手工臺賬的記錄和領刀員領料簽字，然后到對刀儀上進行刀具測量，對刀數據通過手寫在紙條或標簽上，最后將裝調好的整套刀具安裝到數控機床的主軸上和刀庫中。其中的管理方式主要采用臺賬薄人員手工登記，刀具數據通常是操作員臨時手工記錄輸入機床。這種傳統的刀具管理方式已經不能適應智能制造的信息化和自動化要求。

智能制造工廠要有一套強大的ERP平臺，通常選擇SAP等企業信息化管理軟件，其中智能刀具管理系統可選擇TDM等專業刀具數據管理軟件，同時利用智能化設備進行刀具的智能化領用、刀具參數讀取存儲，智能化刀具管理系統的總體架構模型一般由設備層、數據層、管理層三大模塊組成。設備層主要包括智能刀具柜、自動AGV、刀具RFID等智能設備，數據層主要包括刀具庫存信息、刀具裝調參數、刀具切削參數、加工工藝卡和刀具自動配送，管理層主要由ERP平臺或TDM軟件負責整個數控刀具系統的管理。智能化刀具管理系統的總體架構模型如圖1所示。

圖1 智能刀具管理總體架構

基于智能制造環境下的智能化刀具配送管理模塊，應該由智能化選刀、智能化調刀、智能化送刀和智能化還刀等環節組成。其工作流程主要由ERP中央控制平臺根據工藝流程卡內容向TDM刀具管理系統發出工序所需刀具清單，或者由任意一臺數控機床工位所發出來的調刀或還刀呼叫信號，刀具管理系統將根據刀具需求信息向刀具室或其他倉庫管理單位的智能設備發出刀具調撥信息后，智能化刀具柜將自動調出所需刀具，然后由刀具管理員或機械手裝運到AGV刀具運送車自動配送至指定需求工位，從而實現刀具管理的智能化。

主要關鍵設施

面向智能工廠的數控刀具室，可以在智能工廠新建規劃時就考慮進去，也可以在現有數控機械加工車間中利用空余位置進行專區圍檔改造。不論是廠房新建還是在舊廠房改建，數控刀具室通常都是一樣的布置和功能，主要是實現數控刀具的智能化管理和自動化配送。

數控刀具管理配送室的基礎建設可以采用鋁型材和亞克力進行圍檔，或者采用封閉式隔斷空間（玻璃房），內部高度約2.8m，室內地面做環氧樹脂地坪漆。其中刀具室的面積大小，可以根據本機加車間的數控機床臺數和刀具配置情況進行計算，本文所設計的一種刀具管理室布置如圖2所示。

圖2 數控刀具室布置設計圖

數控刀具室內的主要設備由智能刀具柜、刀柄刀具柜（存放組裝好的成套刀具）、刀具調整操作員工作臺、AGV自動刀具搬運車、手推刀具搬運車、對刀儀、固定式鋼質工作臺及超聲波刀具清洗機等組成。

1.智能刀具柜

智能刀具柜如圖3所示，主要用于清晰地存放 CNC刀具（刀片、鉆頭、銑刀、絲錐等消耗類刀具）。通過智能柜系統實現刀具的自動化存取和管理。

圖3 智能刀具柜

管理軟件一般采用刷卡或指紋的登錄控制方式，抽屜數量至少要達到10層，具備5S整理功能；每層抽屜配備可調節的分隔片以存放大小不同的刀具；該智能刀具柜的管理軟件必須具備可擴展連接ERP軟件的開放功能。智能刀具柜的軟件界面如圖4所示。

圖4 智能刀具柜軟件界面

智能刀具柜主要功能如下：

（1）自動領刀操作 自動領刀開柜，員工刷卡登錄后，輸入工藝卡上需要領取刀具的型號或名稱，即可領用相應刀具，輸入相應數量后，智能刀具柜即可自動打開相應的抽屜進行取料，同時自動生成領用記錄，并更新實時庫存數據。

（2）批量領刀 批量操作領刀時，智能依次輸入刀具型號、數量等，進入待領清單，可一次性將待領清單內所有抽屜全部打開，方便快速領刀，降低開關抽屜頻次，提高自動抽屜的使用壽命。

（3）安全庫存提醒 可設定各刀具型號和品種的最低安全庫存量，低于設定之最低安全庫存量時，管理系統的軟件界面和系統設置郵箱會進行顯示提醒，提醒管理員進行補貨。

（4）庫存數據查詢 可通過Web客戶端實時庫存查詢和記錄查詢，方便遠程查看刀具實時在線庫存情況和統計報表等,可查看如下統計報表：記錄查詢表，領料補貨匯總表、庫存信息表、成本匯總表等。

（5）刀具出入庫管理 領料時支持多種領料模式：常規領料，按物料編號、按刷條碼、按工單、產品領料等。

（6）系統后臺設置 首先要設置操作員和管理員帳戶及密碼，再進行刀具物料數據錄入，支持自動導入物料信息表格，建立刀具基礎數據庫和刀具入庫數據表。

（7）支持柜體擴展功能 根據用戶需求增加相應輔柜以增加刀具存儲容量。在后臺對柜體抽屜內的分格進行編號，并在刀具數據庫選取存儲刀具進行關聯，即可建立入庫單投入使用。

（8）智能刀具柜的軟件開放數據中間表 便于開放接口外接ERP、MES等軟件系統，可根據用戶的界面需求開發。

2.RFID刀具電子標簽

利用RFID（射頻識別技術）標簽嵌入刀柄金屬體內如圖5所示，實現單支刀柄刀具的自動識別跟蹤、刀具數據存儲和刀具全生命周期管理。

圖5 刀柄電子標簽

由于數控刀具的使用環境為高轉速和切削液與碎鐵屑環繞，所以刀具電子標簽需要選用抗干擾能力強、防油污和高壽命的RFID元器件，它能夠及時準確地采集各種智能設備（如數控機床和對刀儀）上所使用刀具信息和刀具數據（如刀具編號和刀具工藝參數），并且能迅速地在主機與主機之間進行數據交換，擺脫了傳統的對刀參數手抄情況。需要注意的是，由于電子標簽鑲嵌操作會破壞數控刀柄原先的動平衡，因此完成電子標簽嵌入作業后需要重新對刀柄進行動平衡處理。

3.AGV刀具自動運送車

選用外形尺寸小、結構緊湊、行走靈活的AGV小車搭載定制刀柄架如圖6所示，實現刀具架上加載刀具物料配送的自動化。

圖6 AGV刀具車

AGV刀具自動運送車采用智能化的激光導航系統，可雙向前后進行行駛與原地90°旋轉，通過無線中央控制站與AGV、充電站、機床工位呼叫站、刀具室之間實現數據傳輸和控制調度，可根據客戶需求增加與數控機床機械手的聯動生產管理，同時可支持各種工控協議實現與ERP、MES、WMS等系統聯接，實現全自動、無人化的刀具配送。

結語

數控機床已經成為機械加工車間的主流智能設備，通常一臺數控機床需配備幾十把數控刀具。這樣，一個普通的數控車間刀具配備數量就多達上千把，而當前大多數的數控加工企業仍然常用手工臺帳和紙質條碼等傳統方式來管理刀具，在智能制造的大趨勢下，數控刀具的智能化管理必將成為智能制造系統升級中的一個重要分支方向。本文通過對面向智能化工廠的數控刀具配送室的總體架構和主要設施進行了分析，并對其中關鍵的智能設備的結構、性能要求和主要參數進行了介紹，對智能化機加工車間的數控刀具室建設和改造具有一定的借鑒意義。