王盟 孫造 唐倩 李金鳳

摘要：近幾年電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，在個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)工作中都得到了廣泛的應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)字控制越來越成熟和先進(jìn)，極大的提升了加工機(jī)床的效率及可靠性，數(shù)控加工中心配置刀庫，能夠?qū)崿F(xiàn)快速自動(dòng)換刀，極大的提升了零件加工的質(zhì)量與效率，對加工機(jī)床效率的提升起著決定性作用，因此，本文就數(shù)控刀庫設(shè)計(jì)中存在的問題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的優(yōu)化對策。

關(guān)鍵詞：數(shù)控;刀庫設(shè)計(jì);問題;對策

中圖分類號：TH122;TG65 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0088-02

0 ?引言

刀庫系統(tǒng)極大的解決了當(dāng)前生產(chǎn)過程中的效率問題，改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品加工、處理方式，將使用的刀具事先放到刀庫系統(tǒng)中，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的控制下，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的換刀、加工等動(dòng)作的自動(dòng)化，節(jié)省更多的時(shí)間，數(shù)控刀庫設(shè)計(jì)的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的全自動(dòng)及快速換刀，從而提升生產(chǎn)效率，本文就數(shù)控刀庫設(shè)計(jì)中存在的問題，尋求相應(yīng)的對策，從而進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率。

1 ?換刀過程中的問題及對策

數(shù)控設(shè)計(jì)中換刀過程的實(shí)現(xiàn)，是通過計(jì)算機(jī)對機(jī)械手的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)取刀、換刀等操作的，在沒有命令工作命令的狀態(tài)下，機(jī)械手是緊閉的，一般通過彈簧或電磁鐵來實(shí)現(xiàn)緊閉狀態(tài)[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(jī)械手的閉合程度，這需要根據(jù)實(shí)際的需求狀況來確定;在開始工作時(shí)，計(jì)算機(jī)向機(jī)械手發(fā)出指令，并根據(jù)系統(tǒng)的要求移動(dòng)到換刀位置，并將需要的刀具移動(dòng)到相同的位置，反饋到系統(tǒng)中。刀具到達(dá)固定位置夠就會通過電光門想系統(tǒng)傳遞信號，之后命令機(jī)械手取刀，渠道后機(jī)械手回到初始位置進(jìn)行換刀。整個(gè)過程中，我們可以發(fā)現(xiàn)定位問題是比較關(guān)鍵的，在取刀、換刀的過程中，都需要機(jī)械手或傳送裝置定位的準(zhǔn)確性，確保能夠在預(yù)定的位置上進(jìn)行操作。

2 ?機(jī)械手設(shè)計(jì)中的問題及對策

對換刀過程的了解，可以看出機(jī)械手在這個(gè)過程中起著關(guān)鍵性的作用，而在取刀、換刀的過程中，機(jī)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(dǎo)致中途掉落，影響整個(gè)加工過程的順利進(jìn)行[2]。因此如何控制機(jī)械手里的大小是機(jī)械手設(shè)計(jì)中較為關(guān)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(shù)、長度等各方面保持一致，安放的位置要兩只機(jī)械手中對稱;其次為避免機(jī)械手夾斷刀具，機(jī)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(dòng)裝置設(shè)計(jì)中的問題及對策

傳送裝置是將刀具傳輸?shù)筋A(yù)定位置的主要工具，其中傳動(dòng)軸是實(shí)現(xiàn)換刀過程的一個(gè)重要保障，將需要切換的刀具放到傳動(dòng)軸上，并隨著傳動(dòng)裝置進(jìn)行移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)換刀的操作過程，但是為進(jìn)一步確保生產(chǎn)的安全性，需要對傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度及力矩進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)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(dòng)軸的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定者換刀需要的時(shí)間，但是如果轉(zhuǎn)速過快，就需要考慮到電動(dòng)機(jī)的功率能否達(dá)到相應(yīng)的需求;另外是如果轉(zhuǎn)速過快還可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)軸與空氣間的摩擦產(chǎn)生的熱量，存在一定的安全隱患。因此需要對轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速控制的問題，是傳送裝置設(shè)計(jì)中的主要問題。我們可以通過借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用傳感器及反饋系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速及傳送過程的反饋，進(jìn)行轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確控制，使其能夠在合適的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，按時(shí)間達(dá)到預(yù)定的位置。

4 ?刀具的選擇辦法

在數(shù)控加工機(jī)床工作的過程中，機(jī)械手能夠依照工序的需求進(jìn)行相應(yīng)的切換，通常來說每道工作操作的時(shí)間都是固定的，硬度可以通過定時(shí)實(shí)現(xiàn)其對換刀時(shí)間的有效控制，另外還可以通過采用計(jì)算機(jī)軟件編程的方式來控制和決定換刀的時(shí)間。其中通過硬件即定時(shí)器驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)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(fù)雜，需要進(jìn)行不斷的調(diào)試[4]，才能確定一個(gè)合適的時(shí)間及程序，確保換刀工作的順利進(jìn)行。因此可見這兩種換刀的方法均有一定的優(yōu)勢及缺點(diǎn)，因此適用的工序范圍也比較有限，而在實(shí)際工作中，一種刀具往往需要多次重復(fù)使用，來回變換換刀方法會造成一定的資源浪費(fèi)，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(gè)問題。我們可以將不同類型的刀具進(jìn)行編號，之后進(jìn)行統(tǒng)一的歸類管理，將刀具的編碼代號存入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，并將其放置在固定的位置上，且不能改變，之后通過計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對各種型號刀具的切換，每種類型的刀具對已相應(yīng)的換刀方法，通過子程序的調(diào)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀庫系統(tǒng)換刀[5]，此時(shí)傳動(dòng)裝置也會將相應(yīng)的刀具送到預(yù)定的位置，極大的提高了換刀過程的靈活性，降低了當(dāng)盤的容量，如果程序設(shè)置比較合理，基本上能夠滿足于人格工序生產(chǎn)的設(shè)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(shù)控加工機(jī)床的生產(chǎn)過程中，常見的刀盤有斗笠式、圓盤式以及傳動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)裝置進(jìn)行移動(dòng);圓盤式的刀庫負(fù)荷比較小，常被用于各種小型設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也要比圓盤式刀庫簡單很多，有著較快的轉(zhuǎn)速，可靠性也比較強(qiáng)，但是這種刀盤相應(yīng)的造價(jià)也會比較高，一般需要客戶根據(jù)自己的需求進(jìn)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(yuǎn)，但是當(dāng)?shù)毒呷萘枯^大的時(shí)候，就會在結(jié)構(gòu)上緊湊一點(diǎn)，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(chǎn)造成一定的影響。因此在刀盤容量的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對刀盤擴(kuò)容的需求，使得刀盤的容量能夠滿足與正常加工生產(chǎn)。

6 ?動(dòng)力系統(tǒng)的選擇

數(shù)控刀庫設(shè)計(jì)中，動(dòng)力系統(tǒng)的合理選擇，也是影響其工作效果的重要因素。不同動(dòng)力系統(tǒng)會有自己一定的特點(diǎn)以及適用的范圍，在當(dāng)前的數(shù)控加工當(dāng)中常用到的動(dòng)力系統(tǒng)裝置有液壓式、氣壓式以及電動(dòng)機(jī)式。其中液壓式的基本結(jié)構(gòu)比較簡單，由活塞、活塞桿、缸蓋以及密封裝置等構(gòu)成，并且還可以根據(jù)其使用場合的特殊性，還能夠添加緩沖以及排氣的實(shí)現(xiàn)裝置[7]，這種動(dòng)力系統(tǒng)裝置，結(jié)構(gòu)簡單且比較容易操作，在實(shí)際工作中具有更強(qiáng)的使用性以及可靠性，并且與其他類型的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，其能夠在相同體積條件設(shè)定下產(chǎn)生更大的動(dòng)力，也就是說采用液壓式的動(dòng)力系統(tǒng)，其需要的液壓缸的體積要比氣壓缸及電動(dòng)機(jī)要小的多，能夠在一定程度上節(jié)約出更多的空間，且在進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，不需要采用減速裝置，因此在工作運(yùn)行的過程中，其提供的動(dòng)力也更加的穩(wěn)定，從而極大的節(jié)省了生產(chǎn)的成本。

7 ?換刀速度的加快方式

數(shù)控刀庫設(shè)計(jì)的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的全自動(dòng)及快速換刀，從而提升生產(chǎn)效率。因此在數(shù)控刀庫的設(shè)計(jì)中，對于如何提升換刀速度方式的研究、設(shè)計(jì)也就變得更為重要[8]，是工程師在進(jìn)行數(shù)控刀庫設(shè)計(jì)書首要追求的一個(gè)目標(biāo)。換刀的過程，從機(jī)械手的操作過程來看，是機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)而非是平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以換刀速度在一定程度上與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小有關(guān)聯(lián)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，換刀的速度也就越快。其中影響機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的原因有以下幾種：其一是機(jī)械手兩刀夾的單元長度;其二是機(jī)械手兩刀夾單元的角度大小;其三則是動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力的大小對機(jī)械臂的影響。針對這三個(gè)問題，分別提出相應(yīng)的優(yōu)化對策，進(jìn)而為提升換刀速度、促進(jìn)效率的提高提供相應(yīng)參考。

7.1 機(jī)械手兩刀夾單元長度及角度

根據(jù)上述對換刀過程的了解，可以看出機(jī)械手在換刀過程中是進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，而非平動(dòng)，所以其轉(zhuǎn)動(dòng)的速度會在一定程度上受到機(jī)械手自身長度及轉(zhuǎn)動(dòng)角度的影響。如果機(jī)械手兩刀夾單元長度過長，就會導(dǎo)致其張開角度難以控制，過短則會延長及角度張開的時(shí)間，所以刀夾單元長度設(shè)置在加到動(dòng)作時(shí)，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(yàn)操作分析后得出相應(yīng)數(shù)值。另外機(jī)械手的質(zhì)量也會對傳動(dòng)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(jī)械手的制作。

7.2 機(jī)械手旋轉(zhuǎn)角度

圓盤式刀庫系統(tǒng)，在換刀時(shí)，為了提升換刀的速度，一般會將機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)角度與距離設(shè)置到最小及最近[9]，通過這種設(shè)計(jì)方式能夠使得機(jī)械手在最快的時(shí)間內(nèi)完成取刀及換刀的過程，極大的節(jié)約了時(shí)間，進(jìn)而加快了換刀的速度。因此在數(shù)控刀庫的設(shè)計(jì)中，可以增加相應(yīng)的智能控制系統(tǒng)，加入一個(gè)能夠進(jìn)行距離判斷的程序，并將刀具的編號按照擺放的順序嚴(yán)格錄入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)編號判斷刀具所需要的最小距離及旋轉(zhuǎn)角度，提前做出判斷，在對下一個(gè)刀具編號預(yù)判時(shí)，可以通過設(shè)置順時(shí)針、或逆時(shí)針的方式，去控制下一個(gè)刀具編號類型，從而實(shí)現(xiàn)智能化、全自動(dòng)的換刀過程。

7.3 動(dòng)力系統(tǒng)的影響

動(dòng)力系統(tǒng)的不同，對于其能夠提供給機(jī)械手動(dòng)力的大小有直接的關(guān)系，而動(dòng)力的大小還會直接影響傳動(dòng)裝置的旋轉(zhuǎn)速度，換刀的過程是需要機(jī)械手機(jī)傳動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)做好相應(yīng)的控制，需要根據(jù)實(shí)際數(shù)控刀庫加工情況，選擇合適的型號的液壓缸或是電動(dòng)機(jī)，確保其能夠提供足夠的動(dòng)力，支持換刀過程的實(shí)現(xiàn)。

8 ?結(jié)束語

綜上所述，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控刀庫技術(shù)被廣泛的應(yīng)用到零件的生產(chǎn)加工中，為了確保生產(chǎn)效率的提升，需要不斷的解決數(shù)控刀庫設(shè)計(jì)中精準(zhǔn)定位、轉(zhuǎn)速控制以及機(jī)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(jìn)生產(chǎn)的全自動(dòng)化、智能化的進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。

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