淺談關(guān)于數(shù)控刀庫設(shè)計中存在的問題及對策分析

王東輝

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練教學(xué)部，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080）

刀庫系統(tǒng)的出現(xiàn)是為了解決生產(chǎn)中存在的效率問題，在以前加工過程中，不同類型的產(chǎn)品需要使用不同類型的刀具來進(jìn)行處理，而且對產(chǎn)品處理的要求也大不相同，這就導(dǎo)致了在加工過程中必須停下來換刀，相應(yīng)的機器設(shè)備就需要停工進(jìn)行等待，如果中斷設(shè)備運行，重啟需要耗費更長的時間；只能使設(shè)備保持原狀態(tài)等待換刀過程的結(jié)束，這時也會引起電能的消耗，工序進(jìn)行的時間也會相應(yīng)地增長，也導(dǎo)致了效率的降低。為了解決這個問題，我們事先把需要使用的刀具存放在刀庫系統(tǒng)中，并在計算機的控制下進(jìn)行生產(chǎn)過程的換刀、加工等動作，計算機與人力相比速度更快，更節(jié)省時間。數(shù)控刀庫設(shè)計的目的在于實現(xiàn)在生產(chǎn)過程中全自動、快速地?fù)Q刀，從而提高生產(chǎn)效率。下面我們就對設(shè)計過程中存在的一些問題進(jìn)行探討與分析，并尋找相應(yīng)的解決方案。

1 換刀過程的實現(xiàn)

本次設(shè)計中采用的是帶有機械手的自動換刀裝置，在計算機控制下由機械手實現(xiàn)取刀、換刀等操作。在沒有工作命令的狀態(tài)下，機械手的兩個刀夾處在緊閉狀態(tài)下。緊閉狀態(tài)的保持既可以通過彈簧實現(xiàn)，也可以通過電磁鐵來實現(xiàn)。通過彈簧可以降低電能的消耗，而電磁鐵易于控制，通過改變流過電流的大小，就可以很好地改變機械手閉合的程度。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要自行選取控制的方式。當(dāng)設(shè)備開始工作時，計算機會向機械手發(fā)出命令，機械手會隨之移動到系統(tǒng)要求的換刀位置。而與此同時，操作中所需要的刀具也會在傳動裝置的作用下移動到相同的位置，當(dāng)?shù)毒叩竭_(dá)指點位置后，系統(tǒng)收到反饋。如何判斷刀具是否到達(dá)指定位置可以通過安裝光電門來實現(xiàn)，一旦到達(dá)預(yù)定位置，光電門就會向系統(tǒng)傳遞信號通知計算機，計算機接到這個信號后，再向機械手發(fā)出取刀命令。接到取刀命令后，機械手的兩個刀夾單元自動松開，定位到所需刀具后再進(jìn)行夾持，在彈簧或電磁鐵的作用下緊緊夾住刀具。刀具離開傳送裝置，傳送裝置會根據(jù)系統(tǒng)的需要前進(jìn)或者后退，同時機械手會回到初始位置進(jìn)行工作。通過上述對工作過程的分析，可以意識到換刀過程中最關(guān)鍵的就是定位問題。

2 機械手的設(shè)計

在換刀過程中，機械手夾持力大小的控制是比較關(guān)鍵的一個步驟。如果施加的力過大，機械手的承重就比較大，也有可能對刀具造成損害，甚至有可能夾壞刀具。如果施加的力過小，道具有可能會中途掉落，對操作人員和整個系統(tǒng)都有很大的風(fēng)險，甚至?xí)斐砂踩鹿?。因此，如何精確的控制施加力的大小是我們必須要解決的問題。在使用彈簧控制取刀的裝置中，彈簧的選取和安放就非常重要。為了保證兩只機械手施加力的均勻，彈簧的彈性系數(shù)，長度各方面最好一致。此外，還應(yīng)保證彈簧在機械手中安裝的位置要對稱。為了避免機械手夾斷刀具的情況發(fā)生，對機械手的制作材料也有一定的要求，它的硬度要比刀具小，但為了耐用性又不能太小。

3 傳動裝置的設(shè)計

傳動軸的存在是實現(xiàn)換刀過程的重要保障，設(shè)備所要切換的道具放置在傳動軸上，并根據(jù)傳動裝置的運動而移動，從而實現(xiàn)換刀動作。出于安全考慮，我們需要對軸的轉(zhuǎn)動速度和力矩進(jìn)行計算分析，并要考慮放置在傳動裝置上的刀具的重量。在實際應(yīng)用中，傳動軸的轉(zhuǎn)速決定著換刀所需的時間，但轉(zhuǎn)速不能太快，一是考慮到電動機的功率，二是如果轉(zhuǎn)速過高會導(dǎo)致與空氣摩擦產(chǎn)生熱量，存在安全隱患。因此轉(zhuǎn)速的精確控制也是我們需要考慮的一個問題，可以使用傳感器和反饋系統(tǒng)實現(xiàn)對系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的控制。

4 選擇刀具的方法

工作中機械手就可以按工序進(jìn)行的順序進(jìn)行切換，每道工序執(zhí)行的時間也是已知的，我們既可以通過硬件，如定時器來驅(qū)動控制何時進(jìn)行換刀，也可以通過軟件即計算機編程來決定換刀的時間。用硬件驅(qū)動可靠性高，工作速度快，但外部線路的開銷比較大；軟件驅(qū)動可以節(jié)省外部電路，但編程過程復(fù)雜，軟件設(shè)計人員需要對其進(jìn)行不斷的調(diào)試?？傊?，這種順序換刀方式節(jié)省了計算機編程和傳動系統(tǒng)的開銷，缺點是靈活性小，只能適用于一道工序。在工作過程中，一種刀具有可能會重復(fù)使用多次，這就造成了資源的浪費，無形中也擴(kuò)大了所需刀庫的容量。為了解決這個問題，我們可以對不同類型的刀具進(jìn)行編號，然后把已經(jīng)編號的刀具存放在刀盤中固定的位置，并把編號的代碼存在計算機系統(tǒng)中。一旦將編號保存到系統(tǒng)中，刀具在刀盤中的位置便不能改變，否則就會造成工序出錯，達(dá)不到加工的效果。接下來我們可以通過編寫程序的方法實現(xiàn)對各種型號的刀具的切換，當(dāng)需要使用某一種類型的刀具時，就會通過調(diào)用相應(yīng)的子程序來控制刀庫系統(tǒng)換刀，同時，傳動裝置也會將刀具送到指定位置。這大大提高了操作的靈活性，也在一定程度上降低了所需刀盤的容量，而且如果設(shè)置得當(dāng)，容量足夠大，基本可以用于任何工序的生產(chǎn)。

5 刀盤類型的選擇及其容量配置

不同的刀庫其容量、外觀形狀和換刀的方式各不相同，常見的刀盤有斗笠式、圓盤式、傳送帶式等。斗笠式刀庫在換刀時必須整體隨傳動裝置移動。圓盤式的優(yōu)點是負(fù)荷小，經(jīng)常用于小型加工設(shè)備。傳送式的容量一般比前兩者較大，并且在結(jié)構(gòu)上比圓盤式要簡單，轉(zhuǎn)換速度快，可靠性高，相應(yīng)地因為性能的優(yōu)越造價就比較高，所以傳送帶式刀盤一般需要客戶自己定制。對于各種類型的刀盤，當(dāng)?shù)毒咻^少時，相互之間的位置都可以比較遠(yuǎn)，但當(dāng)容量要求比較大時，在結(jié)構(gòu)上就可以緊湊些，但是程度是有限的，如果靠得過近，反而會影響到正常的工作。因此，為了擴(kuò)大容量，我們還可以采用雙圓盤式，即在圓盤式的下端也放置刀具，相應(yīng)的，傳送帶式可以通過增長傳送帶的方法來擴(kuò)大容量。

6 動力系統(tǒng)的選擇

不同的動力系統(tǒng)有各自的特點和適用范圍，目前常見的動力裝置有液壓式、氣壓式以及電動機式。液壓式即通常所說的油壓式，基本結(jié)構(gòu)包括：活塞、活塞桿、缸蓋、密封裝置，根據(jù)特殊場合的需要，還可以添加進(jìn)行緩沖和實現(xiàn)排氣的裝置。它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較簡單易行，工作過程中具有更高的可靠性，而且與其他類型的動力系統(tǒng)相比，在相同的體積下可以產(chǎn)生更高的動力，換句話說，如果想滿足同等功率的要求，所需液壓缸的體積會比氣壓缸和電動機要小，并且結(jié)構(gòu)也比較簡單，節(jié)約空間。當(dāng)用液壓缸實現(xiàn)往復(fù)運動時，可以不需要減速裝置，在工作過程中運行比較平穩(wěn)。

7 提高換刀速度的方法

在工業(yè)生產(chǎn)中，時間就意味著效率和金錢。數(shù)字控制的換刀系統(tǒng)的出現(xiàn)本身就是為了提高效率和節(jié)省時間，提高換刀速度是工程師在進(jìn)行設(shè)計時追求的首要目標(biāo)。從物理學(xué)的角度來分析，換刀運動對于機械手來說不是平動而是轉(zhuǎn)動，因此，換刀速度的快慢取決于轉(zhuǎn)動慣量的大小，轉(zhuǎn)動慣量越小，換刀速度越快。從機械手轉(zhuǎn)動慣量的角度分析，影響機械手換刀速度的原因主要有以下幾個方面：（1）刀臂即機械手兩刀夾單元的長度。（2）機械手兩刀夾單元的角度。（3）動力系統(tǒng)的質(zhì)量和提供的動力大小。接下來我們將分別對這幾個因素進(jìn)行探討和分析，從而找到提高換刀速度的方法。

7.1 機械手兩刀夾單元的長度的長度和角度

機械手在換刀過程中進(jìn)行的不是平動而是轉(zhuǎn)動，因此轉(zhuǎn)動的速度要受到自身長度和轉(zhuǎn)動角度的影響。刀夾單元的長度不宜太長，進(jìn)行夾刀動作時張開的角度應(yīng)正好能夾到刀即可。除此之外，機械手自身的質(zhì)量也會影響到轉(zhuǎn)動的速度，在制造時可以選取適當(dāng)?shù)牟牧?，密度要小，硬度要大?/p>

7.2 機械手在旋轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)方向

在圓盤式刀庫系統(tǒng)中，當(dāng)進(jìn)行換刀動作時，為了加快工作速度，機械手旋轉(zhuǎn)的角度和距離應(yīng)該是最小和最近的。舉個例子來說明如何選擇，有二十四個刀具的圓盤式刀庫系統(tǒng)，其刀具的編號由1到24順時針順序排列。如果在工作時，當(dāng)前機械手正對的刀具單元是9號位，下一次換刀時需要旋轉(zhuǎn)到4號位，此時就要按逆時針旋轉(zhuǎn)，這樣走過的距離才是最小的。為了實現(xiàn)這種智能控制，在進(jìn)行程序設(shè)計時要加入一個進(jìn)行距離判斷的程序，可以對當(dāng)前編號到下一編號的距離進(jìn)行計算，并作出決策，即進(jìn)行順時針旋轉(zhuǎn)還是逆時針旋轉(zhuǎn)。

7.3 動力系統(tǒng)的影響

動力系統(tǒng)提供的動力大小直接影響了傳動裝置的旋轉(zhuǎn)速度，在進(jìn)行動力系統(tǒng)如液壓缸和電動機的選擇時要選取適當(dāng)?shù)男吞枴?/p>

8 結(jié)語

自動刀庫的發(fā)展依賴于計算機技術(shù)的進(jìn)步和制造工藝的發(fā)展。精準(zhǔn)定位，轉(zhuǎn)速控制，夾持力大小的控制，刀盤系統(tǒng)的容量大小都是設(shè)計過程中比較重要的一些問題，隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)步，我相信這些都會得到很好的解決。數(shù)控技術(shù)未來的發(fā)展趨勢必將是全自動化、智能化、多功能化。