數控刀庫（kù）設計中（zhōng）存在的問題（tí）及對策（cè）探析-功能部件網-數控機床市場網（wǎng）

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數控刀庫設計中存在的問題及（jí）對（duì）策探析（xī）

2024-5-29 來源：通用技術集團大連機床（chuáng）有限責任公司作者：王盟；孫（sūn）造；唐倩；李金鳳

摘要：近幾年電子信息（xī）技術的不斷發展，在個行業的生產工作中都（dōu）得到了廣泛的應用，利用計算機技術進行數字控（kòng）製越來越成熟和先進，極（jí）大的提升（shēng）了加工機床的效率及（jí）可靠性，數控加工中心配（pèi）置刀庫，能（néng）夠實現快速自動換刀，極大的提升了零件加工的質量（liàng）與效率，對加工機床效率的提升（shēng）起著決定性作用，因此，本文就數控刀（dāo）庫（kù）設計中存在的問題（tí）進（jìn）行分析，並（bìng）提出相（xiàng）應的優化對策。

關鍵（jiàn）詞（cí）：數控；刀庫設計；問題；對（duì）策

0 引言

刀庫係統極大的解（jiě）決了當前生產過程中的效率問題，改變（biàn）了傳統產品加工、處理方式，將（jiāng）使用的刀具事先放（fàng）到刀庫（kù）係統中，在計算機技術（shù）的控製下（xià），實現生產過程（chéng）中的換刀、加工等動作的自動化（huà），節省更多（duō）的時間，數控刀（dāo）庫設計的主要目的（de）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（xiào）率，本（běn）文就數控刀庫設計中存在的問題（tí），尋（xún）求相應的對策，從而進一步提（tí）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（de）實現，是通過計（jì）算機對機械手（shǒu）的控製，進而實現取刀、換刀（dāo）等操作的，在（zài）沒有命令工作命令的狀態下，機械（xiè）手是緊（jǐn）閉的，一般通過彈（dàn）簧或電磁鐵來實現緊閉狀態[1]。利用彈簧能（néng）夠減少（shǎo）電能的消耗，而利用電磁鐵則更（gèng）好控（kòng）製機（jī）械手的閉合程（chéng）度（dù），這需要根據實際的需求（qiú）狀況來確定；在開始工（gōng）作時（shí），計算機（jī）向機械手發出指令，並根據係統的要求移動到換刀（dāo）位置，並將（jiāng）需要的刀具移動（dòng）到相同（tóng）的位（wèi）置，反饋到係統中。

刀具到達固定位（wèi）置（zhì）夠就會通過電光門想係統傳遞信號，之後命令機械手取刀，渠道後機械手回到初始位置進行換刀（dāo）。整個過程中，我們可（kě）以發現（xiàn）定（dìng）位問題（tí）是比較關鍵的，在取刀（dāo）、換刀的過程中，都（dōu）需要機械手（shǒu）或傳送裝置定位的準確性，確保能夠在預定的位置上（shàng）進行操作。

2 、機械手設計中的問（wèn）題及對策（cè）

對換刀過程的了解，可以看出機械手在這個過程（chéng）中（zhōng）起著關鍵性的（de）作用（yòng），而在取刀、換刀的過程中，機械手力的大小控製十分重（chóng）要，若施加的力過大，就可能會損壞刀（dāo）具，若過小則難以夾緊刀具，導致中（zhōng）途掉落，影響（xiǎng）整個加工過程的順利進行[2]。因此如何控（kòng）製機械手裏的大小是機械手（shǒu）設計（jì）中較為關鍵（jiàn）性的問題。

主要存在與使用彈簧控製的裝置中，需要（yào）重視彈簧的選擇（zé）和位置的安放，需要確（què）保彈簧的彈性係數、長度等各方麵保持一致，安放的位置要兩（liǎng）隻機械手中對稱；其次為避免機械手夾斷刀具，機械（xiè）手製作材料的硬度需要小於刀具，還需要（yào）具有一定的耐用性。

3 、傳動裝置設計中的問題（tí）及對策

傳送（sòng）裝置是將（jiāng）刀具傳（chuán）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，並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（bǎo）生產的安全性，需要對傳動軸的轉（zhuǎn）動（dòng）速（sù）度及力矩進行（háng）相應的計算分析[3]，以及需要（yào）傳送刀（dāo）具的重量，這些都（dōu）對換刀過程有著極大的影（yǐng）響（xiǎng）。

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（hái）可（kě）能會導致（zhì）轉動軸與（yǔ）空（kōng）氣間的摩擦產生的熱量，存在一定的安全隱（yǐn）患。因此需要對轉動軸的轉速控製的問題（tí），是（shì）傳送裝置設計中的主要問題。我們可以通過借助於計算機技術，利用傳感器（qì）及反饋係統對（duì）轉速及傳送過程的反饋，進行轉速的準確控製（zhì），使其能（néng）夠在合適的轉速範（fàn）圍內，按時間達到預定的位置。

4 、刀具的選擇辦（bàn）法

在數控加工機床工作（zuò）的過程中，機械手能（néng）夠依照工序的需求進行（háng）相應的（de）切（qiē）換，通常來說每道工作操作的時間都是固定的（de），硬度可以通過定時實現其對換刀時（shí）間的（de）有效（xiào）控製，另外還可以通過采用計算機軟（ruǎn）件編程（chéng）的方式（shì）來控製和決定換（huàn）刀的時間。

其中通過硬件即定時器驅動具有更（gèng）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（bù）線（xiàn）路的成本；而采用軟件即計算機（jī）編程的方式，能夠極大的減少外部（bù）線路的（de）成本，但編程的過程較為複雜，需（xū）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（de）順利進行。

因此可見這兩種（zhǒng）換刀的方法均有一（yī）定的優勢及缺點，因此適用的工序（xù）範圍也比較（jiào）有限，而在實際工作中，一種（zhǒng）刀具往往需（xū）要多次（cì）重複使用，來回變換換刀方法會（huì）造成一定的資源（yuán）浪費，也增加了刀庫的容量，因此對（duì）刀具的選（xuǎn）擇辦法也成為了換刀過程中需要解決的一個問題。

我（wǒ）們可以將（jiāng）不同類型的刀具進行編號，之後進行統一的（de）歸類管理，將刀具的編碼代號存入到計算機係統當中，並將其（qí）放置在固（gù）定的位置上，且不能改（gǎi）變，之後通過計算機編程（chéng）實（shí）現對各（gè）種型號刀具的切換，每（měi）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係統換刀[5]，此時傳動裝置（zhì）也會將相應的刀具送到預定的（de）位置，極大的提高了換刀過程的靈活性（xìng），降低了當盤的容量，如果程序設置比較合理，基本上能夠滿足於人（rén）格工序生產的設置。

5、刀盤類（lèi）型及容量配置的選擇

不同刀（dāo）庫的容（róng）量、外觀形狀及換刀的（de）方式有著一定（dìng）的差別，在數（shù）控加工機床的生產過程中，常見的刀盤有鬥笠式、圓盤式以及傳（chuán）動帶式等幾種不同的形式[6]。其中鬥笠式（shì）的反饋在換刀的（de）過程中，必（bì）須要整體（tǐ）對轉動裝置（zhì）進（jìn）行移動；圓盤式的刀庫負（fù）荷比較小，常被用（yòng）於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（liǎng）種要大很多（duō），且在結構設（shè）計上也要比圓盤式刀庫簡（jiǎn）單很多，有著較快（kuài）的轉速，可靠性也比較強（qiáng），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（jǐ）的需求進行針對性的定製。

不論是什（shí）麽樣類型的刀盤，在（zài）刀具使用（yòng）量比較少的使用，之間（jiān）間隔的距離會相對來說比較遠（yuǎn），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，一旦超過了限製就會對正常加工生產造成一定的影響。

因此在刀（dāo）盤容（róng）量的設計上（shàng），為了滿足對大容量（liàng）的需求（qiú），以及緊湊度的要求，可以通過（guò）采（cǎi）用（yòng）雙圓盤的方（fāng）式或是將傳送（sòng）帶式（shì）刀盤增長傳送帶，這樣的方法來實現對刀盤擴容的（de）需求，使得刀盤的容量能夠滿足與正常加（jiā）工生產。

6 、動力係統的選擇

數控刀庫設計中，動力係統的合理選擇，也是影（yǐng）響其工作效果的重要因素。不同動力係統會有自己一定的特點（diǎn）以及適用的範圍，在當前的（de）數控加工當中常用到的動力係統裝置有液壓式、氣壓式以及電動機式。其中液壓式的基本結構比較（jiào）簡（jiǎn）單，由活塞、活塞杆、缸蓋（gài）以及密封裝置等構成，並且還可以根據其使用場合的特殊性，還能夠添加緩衝以及排氣（qì）的（de）實現裝置[7]，這種動力係統裝置，結構（gòu）簡單且比較容易操作，在實際工作中（zhōng）具有更強的使用性以及可靠（kào）性，並（bìng）且與其他類型的動力係統結構相比，其能夠在相同體積（jī）條件設定下產（chǎn）生更大的動力，也就是說采用液壓式的動力係統，其需要的（de）液壓缸的體積要（yào）比氣壓缸及電動（dòng）機要小的多，能夠在（zài）一定程度上節約出更多的空間，且在進行往複運動的過程中，不需要采用減速（sù）裝（zhuāng）置，因（yīn）此在工作運行的（de）過程中，其提供的動力也（yě）更加的穩定，從而極（jí）大的節省了（le）生產的成本。

7 、換刀速度的加快方式

數控刀庫（kù）設計的主（zhǔ）要目的是為了實現生產（chǎn）過程的全自動及快速換刀，從而提升生產效率。因此在數（shù）控刀庫的設計中，對於（yú）如何提升換刀速度方式的研究、設計（jì）也（yě）就變得更為（wéi）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（yùn）動而非（fēi）是平動（dòng）運動，所以換刀速度在一定程度上與轉動（dòng）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（xiǎng）機械（xiè）手轉動慣量的原因有以下幾種：其一是機械（xiè）手（shǒu）兩刀夾的（de）單元長度；其（qí）二是（shì）機（jī）械手兩刀（dāo）夾單元（yuán）的角度大小；其三（sān）則是動力（lì）係統提供動力的大小對（duì）機械臂的影響。針對這三個問題，分別（bié）提出相應的優（yōu）化對策，進而為提升換刀速度、促進效率的提高（gāo）提供相應參考。

7.1 機械手兩刀夾單元長度（dù）及角度

根據上述對換刀過程的（de）了解，可以看（kàn）出機械手在換刀過程中是進行轉動運動（dòng），而非平動，所以其轉動的速度會（huì）在（zài）一定（dìng）程度上受到機械手自身長度及轉動角度的影響。

如果（guǒ）機械（xiè）手兩刀（dāo）夾單元長度過長，就會導致其張開角度難以控製，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（jiǎo）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後得出相應數值。另外機械手的質量也（yě）會對傳動的速度造成一定的影（yǐng）響（xiǎng），一般選擇使用密（mì）度小、硬度大但小於刀具的（de）材料完（wán）成機械手的製作。

7.2 機械手旋轉角（jiǎo）度

圓盤式刀庫係統（tǒng），在換（huàn）刀時（shí），為了提（tí）升換（huàn）刀的速度（dù），一般（bān）會將（jiāng）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（gòu）使得機械手在（zài）最快的時間內完成取及換刀的過程，極大的（de）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（yīng）的智能（néng）控製係統，加入一個能夠進行距離判斷（duàn）的程序，並將刀具的編號按照擺放的順序嚴格錄入到（dào）係（xì）統中，係統根據編號判斷刀具所需要的（de）最小距離及旋轉角度，提前做出（chū）判斷，在對下（xià）一個刀具編號預判時，可以通（tōng）過設置順時針、或逆時針（zhēn）的方式，去控製下一個刀具編號（hào）類型，從而實現智能化、全自（zì）動的換刀過程。

7.3 、動力係統的影響

動力係統的不同，對於其能夠提供給機械手動力的大小有直接的關係（xì），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（yào）機械（xiè）手機傳動裝置共同作用才能完成的，所以想要提（tí）升換刀速度，就（jiù）需要對動力係統做好相應的控製，需要根據實（shí）際數控刀庫加（jiā）工情況，選擇合適的型號的液壓缸或（huò）是電動機，確保（bǎo）其能夠提供足夠的動力，支持（chí）換刀過程的實現。

8 、結束語

綜上所（suǒ）述，隨著電子信息技術的發（fā）展（zhǎn），數控刀庫技術被廣泛的（de）應用到零件（jiàn）的生產加工中，為了確保生（shēng）產效率的提升，需要不斷的解決數控刀庫設計中精準定位、轉速控製以及（jí）機（jī）械手加持力大小等問題，從而使（shǐ）得換刀的速度不（bú）斷的加快，有效提升效率，促進生產的全自動化（huà）、智能化的進一步實現。

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