數控機床刀具柜智能化管理創新設計

摘要：隨著數控加工技術的不斷發展，數控刀具以其高效、精密、高速、耐磨的良好綜合性能取代了傳統刀具，而數控刀具材料的不斷開發，必將帶來刀具成本價格的上升。鑒于此，針對目前數控加工中由刀具管理混亂引起的刀具損耗、生產成本增加等現象，創新設計了智能化管理刀具柜，在物聯網控制下實現一機多控，有效減少了刀具的損耗，降低了生產成本，提高了生產效益。

關鍵詞：數控加工；刀具；智能化；刀具柜

中圖分類號：TG71；TP315" 文獻標志碼：A" 文章編號：1671-0797（2023）07-0043-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.07.010

0" " 引言

馬克思曾經說過：“各種經濟時代的區別，不在于生產什么，而在于怎樣生產，用什么勞動資料生產。”制造技術和裝備就是人類生產活動最基本的生產資料，而數控技術是當今先進制造技術和裝備最核心的技術[1]。

隨著數控加工對象精度要求提高，為適應多品種柔性化生產，數控加工也對刀具提出了更高的要求。在機床、刀具、夾具和工件組成的工藝系統中，刀具是最活躍的因素，刀具對數控加工技術的發展起著決定性作用。

隨著工業技術的智能化發展，刀具的材料研發也發生了前所未有的變革，這必將帶來刀具成本價格的上升。

傳統刀具存儲方式存在諸多弊端，必然對刀具使用壽命產生影響，從而增加企業生產成本，數控機床刀具管理的創新設計可使刀具的存放更加便捷，大幅降低生產成本，提升生產效益。

1" " 數控刀具介紹

數控刀具作為數控機床和加工中心用刀具，是數控工藝系統中最重要的組成部分[2]。刀具技術的更新代表著數控加工的高質量發展。數控刀具在國外發展較快，品種多，已形成系列[3]。然而我國對數控刀具的研究開發起步較晚，數控刀具成了工具行業較薄弱的一環。

隨著近年來機械制造水平的不斷發展，對于產品的高質量要求推動了數控刀具不斷優化以適應加工。

在實際數控加工過程中，由于加工對象形狀復雜，加工精度要求較高，結合對加工對象的適應性要求，所需要的數控刀具種類、數量增多，調用頻繁，刀具的管理變得更加復雜。為滿足生產需求，能否有效管理刀具成為影響企業制造成本的重要因素之一。

然而，目前大多數企業缺少對刀具的有效管理，而且隨著機械加工生產車間的信息化建設，刀具低效、混亂的管理方式越來越難以適應企業信息化車間的高效運行[4]。

因此，設計可靠的刀具智能化管理系統不僅成為機械加工車間高效運行的必然要求，而且具有促進刀具管理規范化、提升效率、降低生產成本等應用價值。

2" " 傳統刀具管理現狀

傳統刀具管理系統采用專門的刀具管理人員手工存取模式，這種模式在一些規模較大的企業弊端尤為明顯。

機械制造行業尤其是數控加工領域，同一批零件加工過程中需配備很多種類、型號各異的刀具，在更換的刀具存取過程中，庫管人員需要通過查找先將舊刀具入庫放到刀具存儲柜中，然后按照新刀具型號查找新刀具存放的位置，再外借并登記出庫。如果需要的刀具數量較大，則這種存取方式效率低下，極易出錯；而采用智能化管理刀具柜，能科學有效地對刀具進行存取，效率高，省時省力。

近幾年來，我國制造業的信息化發展步伐不斷向前邁進，但國內企業大多致力于多軸機床的研究與開發，對于一般數控機床的刀具的存儲研究開發甚少[5]。因此，本課題針對中小型企業及高校數控加工實訓中心設計了一種便于存儲，同時能夠避免刀具損壞，實現刀具統一管理的刀具管理系統。

3" " 智能刀具管理系統設計思路

本設計是一種數控機床智能刀具柜（圖1），采用物聯網控制，與計算機網絡連接實現刀具自動智能存取。在刀具柜底部加裝了傳感器，當刀具放入抽屜內部時，傳感器受到重力作用按壓開始反射信號，物聯網模塊接收到信號，并將信號反饋到計算機軟件中進行計數。智能刀具柜抽屜底部加裝的傳感器，通過自動計數裝置直觀地反饋庫存刀具數量，減少了庫管人員清點的工作量，提升了工作效率。

導軌和絲杠共同支撐抽屜，使得抽屜的伸縮更為平穩。通過傳感器的設置，用戶能夠方便地獲知抽屜內刀具的數量和存儲狀態。

通過計算機控制，柜體內部的物聯網模塊與電氣模塊中的單片機連接并控制單片機，單片機與電子開關相連接，電子開關控制柜體中抽屜底部電機的啟停和驅動方向，電機與絲杠相連接，抽屜底部加裝了行程開關、限位塊和導軌，通過電機、絲杠和絲杠螺母的設置，開啟電機帶動絲杠轉動，絲杠螺母帶動抽屜位移，實現儲存刀具的抽屜開合，進而完成刀具的取放，代替了現有技術中的刀具架。

另外，還可以基于行程開關與限位塊1或限位塊2的接觸狀態控制電機的停機。

通過柜體和抽屜的設置，借助電機控制抽屜的開合，能夠對刀具進行統一的封閉保存，對刀具進行統一管理，便于快速找尋到刀具，同時也避免了刀具的遺失（圖2）。另外，柜體內設置儲物格，能夠對刀具分別進行存儲，避免刀具因發生碰撞而損壞。

4" " 創新點與特色

（1）功能創新：數控機床刀具管理的創新設計方便了刀具存儲，物聯網模塊與計算機通過網絡連接，一臺計算機可控制多個刀具柜。抽屜底部加裝了傳感器，對存放刀具進行計數，便捷安全。

（2）控制創新：采用計算機軟件控制，安裝完刀具柜后，在計算機中安裝專門的刀具管理軟件即可控制系統自動完成刀具調取。

（3）降低成本創新：相較于傳統刀具柜抽屜，本項目在刀具柜抽屜內部加裝了擋板，擋板上與刀具直徑大小相同的圓形孔均勻分布，刀具可直接安放在圓形孔內，避免刀具柜發生晃動而引起刀具之間的碰撞，導致貴重刀具損壞，造成不必要的經濟損失。

5" " 結語

在目前整個機械加工制造行業，我國中小型企業占比超過了70%[4]，基于此，中小型企業對于數控刀具智能化管理的需求是否能夠得到滿足，成為影響我國制造業發展趨勢的重要因素之一。

本文所述數控機床刀具柜智能化管理創新設計，在保證了具備傳統刀具柜功能的前提之下，增加了智能模式，在物聯網控制的大環境下實現了一機多控，而且可根據企業加工實際需求進行刀具管理，調節存放刀具的類型，大大縮短了管理人員存取刀具的時間，降低了管理人員的工作強度，提高了生產效率，減少了企業生產成本。

[參考文獻]

[1] 古楓.數控技術和裝備發展趨勢及對策[J].機電信息，2005（17）：11-14.

[2] 劉會剛.變速箱體智能化生產車間刀具管理系統的設計與實現[D].廈門：廈門大學，2019.

[3] 張志超，王知衍，吳錚.基于實例推理的數控刀具智能化設計的研究及應用[J].機電新產品導報，2003（6）：71-72.

[4] 尹葉秀.數控刀具管理系統的研究背景與現狀[J].無線互聯科技，2017（7）：114-115.

[5] 尹葉秀.淺談基于網絡平臺的數控刀具管理系統[C]//中國職協2016年度優秀科研成果獲獎論文集（學校二等獎），2016：480-491.

收稿日期：2022-12-08

作者簡介：辛鵬（1988—），男，甘肅秦安人，助教，主要從事機械制造專業、數控加工多軸加工制造教學工作。