数控刀库设计中存在的问题及对策探析

王盟 孙造 唐倩 李金凤

摘要：近几年电子信息技术的不断发展，在个行业的生产工作中都得到了广泛的应用，利用计算机技术进行数字控制越来越成熟和先进，极大的提升了加工机床的效率及可靠性，数控加工中心配置刀库，能够实现快速自动换刀，极大的提升了零件加工的质量与效率，对加工机床效率的提升起着决定性作用，因此，本文就数控刀库设计中存在的问题进行分析，并提出相应的优化对策。

关键词：数控;刀库设计;问题;对策

中图分类号：TH122;TG65                            文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）07-0088-02

0  引言

刀库系统极大的解决了当前生产过程中的效率问题，改变了传统产品加工、处理方式，将使用的刀具事先放到刀库系统中，在计算机技术的控制下，实现生产过程中的换刀、加工等动作的自动化，节省更多的时间，数控刀库设计的主要目的是为了实现生产过程的全自动及快速换刀，从而提升生产效率，本文就数控刀库设计中存在的问题，寻求相应的对策，从而进一步提升生产效率。

1  换刀过程中的问题及对策

数控设计中换刀过程的实现，是通过计算机对机械手的控制，进而实现取刀、换刀等操作的，在没有命令工作命令的状态下，机械手是紧闭的，一般通过弹簧或电磁铁来实现紧闭状态[1]。利用弹簧能够减少电能的消耗，而利用电磁铁则更好控制机械手的闭合程度，这需要根据实际的需求状况来确定;在开始工作时，计算机向机械手发出指令，并根据系统的要求移动到换刀位置，并将需要的刀具移动到相同的位置，反馈到系统中。刀具到达固定位置够就会通过电光门想系统传递信号，之后命令机械手取刀，渠道后机械手回到初始位置进行换刀。整个过程中，我们可以发现定位问题是比较关键的，在取刀、换刀的过程中，都需要机械手或传送装置定位的准确性，确保能够在预定的位置上进行操作。

2  机械手设计中的问题及对策

对换刀过程的了解，可以看出机械手在这个过程中起着关键性的作用，而在取刀、换刀的过程中，机械手力的大小控制十分重要，若施加的力过大，就可能会损坏刀具，若过小则难以夹紧刀具，导致中途掉落，影响整个加工过程的顺利进行[2]。因此如何控制机械手里的大小是机械手设计中较为关键性的问题。主要存在与使用弹簧控制的装置中，需要重视弹簧的选择和位置的安放，需要确保弹簧的弹性系数、长度等各方面保持一致，安放的位置要两只机械手中对称;其次为避免机械手夹断刀具，机械手制作材料的硬度需要小于刀具，还需要具有一定的耐用性。

3  传动装置设计中的问题及对策

传送装置是将刀具传输到预定位置的主要工具，其中传动轴是实现换刀过程的一个重要保障，将需要切换的刀具放到传动轴上，并随着传动装置进行移动，实现换刀的操作过程，但是为进一步确保生产的安全性，需要对传动轴的转动速度及力矩进行相应的计算分析[3]，以及需要传送刀具的重量，这些都对换刀过程有着极大的影响。其中传动轴的转速决定者换刀需要的时间，但是如果转速过快，就需要考虑到电动机的功率能否达到相应的需求;另外是如果转速过快还可能会导致转动轴与空气间的摩擦产生的热量，存在一定的安全隐患。因此需要对转动轴的转速控制的问题，是传送装置设计中的主要问题。我们可以通过借助于计算机技术，利用传感器及反馈系统对转速及传送过程的反馈，进行转速的准确控制，使其能够在合适的转速范围内，按时间达到预定的位置。

4  刀具的选择办法

在数控加工机床工作的过程中，机械手能够依照工序的需求进行相应的切换，通常来说每道工作操作的时间都是固定的，硬度可以通过定时实现其对换刀时间的有效控制，另外还可以通过采用计算机软件编程的方式来控制和决定换刀的时间。其中通过硬件即定时器驱动具有更高的可靠性，且工作速度也比较快，但会在一定程度上增加外部线路的成本;而采用软件即计算机编程的方式，能够极大的减少外部线路的成本，但编程的过程较为复杂，需要进行不断的调试[4]，才能确定一个合适的时间及程序，确保换刀工作的顺利进行。因此可见这两种换刀的方法均有一定的优势及缺点，因此适用的工序范围也比较有限，而在实际工作中，一种刀具往往需要多次重复使用，来回变换换刀方法会造成一定的资源浪费，也增加了刀库的容量，因此对刀具的选择办法也成为了换刀过程中需要解决的一个问题。我们可以将不同类型的刀具进行编号，之后进行统一的归类管理，将刀具的编码代号存入到计算机系统当中，并将其放置在固定的位置上，且不能改变，之后通过计算机编程实现对各种型号刀具的切换，每种类型的刀具对已相应的换刀方法，通过子程序的调动实现刀库系统换刀[5]，此时传动装置也会将相应的刀具送到预定的位置，极大的提高了换刀过程的靈活性，降低了当盘的容量，如果程序设置比较合理，基本上能够满足于人格工序生产的设置。

5  刀盘类型及容量配置的选择

不同刀库的容量、外观形状及换刀的方式有着一定的差别，在数控加工机床的生产过程中，常见的刀盘有斗笠式、圆盘式以及传动带式等几种不同的形式[6]。其中斗笠式的反馈在换刀的过程中，必须要整体对转动装置进行移动;圆盘式的刀库负荷比较小，常被用于各种小型设备的加工之中;而传送带式的刀盘容量则比前两种要大很多，且在结构设计上也要比圆盘式刀库简单很多，有着较快的转速，可靠性也比较强，但是这种刀盘相应的造价也会比较高，一般需要客户根据自己的需求进行针对性的定制。不论是什么样类型的刀盘，在刀具使用量比较少的使用，之间间隔的距离会相对来说比较远，但是当刀具容量较大的时候，就会在结构上紧凑一点，但其能够承受的程度是十分有限的，一旦超过了限制就会对正常加工生产造成一定的影响。因此在刀盘容量的设计上，为了满足对大容量的需求，以及紧凑度的要求，可以通过采用双圆盘的方式或是将传送带式刀盘增长传送带，这样的方法来实现对刀盘扩容的需求，使得刀盘的容量能够满足与正常加工生产。

6  动力系统的选择

数控刀库设计中，动力系统的合理选择，也是影响其工作效果的重要因素。不同动力系统会有自己一定的特点以及适用的范围，在当前的数控加工当中常用到的动力系统装置有液压式、气压式以及电动机式。其中液压式的基本结构比较简单，由活塞、活塞杆、缸盖以及密封装置等构成，并且还可以根据其使用场合的特殊性，还能够添加缓冲以及排气的实现装置[7]，这种动力系统装置，结构简单且比较容易操作，在实际工作中具有更强的使用性以及可靠性，并且与其他类型的动力系统结构相比，其能够在相同体积条件设定下产生更大的动力，也就是说采用液压式的动力系统，其需要的液压缸的体积要比气压缸及电动机要小的多，能够在一定程度上节约出更多的空间，且在进行往复运动的过程中，不需要采用减速装置，因此在工作运行的过程中，其提供的动力也更加的稳定，从而极大的节省了生产的成本。

7  換刀速度的加快方式

数控刀库设计的主要目的是为了实现生产过程的全自动及快速换刀，从而提升生产效率。因此在数控刀库的设计中，对于如何提升换刀速度方式的研究、设计也就变得更为重要[8]，是工程师在进行数控刀库设计书首要追求的一个目标。换刀的过程，从机械手的操作过程来看，是机械手转动运动而非是平动运动，所以换刀速度在一定程度上与转动惯量的大小有关联，转动惯量越小，换刀的速度也就越快。其中影响机械手转动惯量的原因有以下几种：其一是机械手两刀夹的单元长度;其二是机械手两刀夹单元的角度大小;其三则是动力系统提供动力的大小对机械臂的影响。针对这三个问题，分别提出相应的优化对策，进而为提升换刀速度、促进效率的提高提供相应参考。

7.1 机械手两刀夹单元长度及角度

根据上述对换刀过程的了解，可以看出机械手在换刀过程中是进行转动运动，而非平动，所以其转动的速度会在一定程度上受到机械手自身长度及转动角度的影响。如果机械手两刀夹单元长度过长，就会导致其张开角度难以控制，过短则会延长及角度张开的时间，所以刀夹单元长度设置在加到动作时，其张开角度刚好能够夹到刀具就可以，这就需要通过多次试验操作分析后得出相应数值。另外机械手的质量也会对传动的速度造成一定的影响，一般选择使用密度小、硬度大但小于刀具的材料完成机械手的制作。

7.2 机械手旋转角度

圆盘式刀库系统，在换刀时，为了提升换刀的速度，一般会将机械手的旋转角度与距离设置到最小及最近[9]，通过这种设计方式能够使得机械手在最快的时间内完成取刀及换刀的过程，极大的节约了时间，进而加快了换刀的速度。因此在数控刀库的设计中，可以增加相应的智能控制系统，加入一个能够进行距离判断的程序，并将刀具的编号按照摆放的顺序严格录入到系统中，系统根据编号判断刀具所需要的最小距离及旋转角度，提前做出判断，在对下一个刀具编号预判时，可以通过设置顺时针、或逆时针的方式，去控制下一个刀具编号类型，从而实现智能化、全自动的换刀过程。

7.3 动力系统的影响

动力系统的不同，对于其能够提供给机械手动力的大小有直接的关系，而动力的大小还会直接影响传动装置的旋转速度，换刀的过程是需要机械手机传动装置共同作用才能完成的，所以想要提升换刀速度，就需要对动力系统做好相应的控制，需要根据实际数控刀库加工情况，选择合适的型号的液压缸或是电动机，确保其能够提供足够的动力，支持换刀过程的实现。

8  结束语

综上所述，随着电子信息技术的发展，数控刀库技术被广泛的应用到零件的生产加工中，为了确保生产效率的提升，需要不断的解决数控刀库设计中精准定位、转速控制以及机械手加持力大小等问题，从而使得换刀的速度不断的加快，有效提升效率，促进生产的全自动化、智能化的进一步实现。

参考文献：

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[3]杨恺.分析数控加工中心斗笠式刀库与自动换刀装置[J].内燃机与配件，2018（004）：107-108.

[4]杨道杰.基于PLC刀库捷径方向选择自动控制的软件设计与研究[J].名城绘，2019（004）：143.

[5]李国发，李屹，王大川，等.盘式刀库可靠性试验状态监测及故障预警研究[J].组合机床与自动化加工技术，2018（8）：86-89.

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[7]曹川川，郭鹏远，张涛，等.基于PMAC的加工中心斗笠式刀库自动换刀控制系统的研究[J].现代制造工程，2018（002）：70-73.

[8]王蕊，张孝元，高昆，等.基于PLC的刀库自动换刀控制系统设计[J].电子技术与软件工程，2018（13）：110-111.

[9]台达集团.台达为木工加工中心双伺服刀库提供CNC数控系统应用解决方案[J].自动化博览，2019（005）：42.