一種面向智能工廠的數(shù)控刀具室設(shè)計(jì)

李躍軍

廣州廣鐵科技有限公司 廣州 511400

數(shù)控刀具是數(shù)控機(jī)床切削加工中最重要的消耗性配置資源，數(shù)控刀具的智能化管理是智能化數(shù)控加工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它關(guān)系到工廠智能化程度以及生產(chǎn)成本控制水平的高低。當(dāng)前，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床應(yīng)用水平有了大幅提升，柔性化數(shù)控制造中心大量建立。同時(shí)，在數(shù)控刀具管理方面，大部分企業(yè)還停留在傳統(tǒng)庫(kù)房管理的模式，因此建設(shè)一個(gè)面向智能工廠的智能化數(shù)控加工車(chē)間刀具管理室就顯得十分必要。

現(xiàn)狀與發(fā)展

目前大多數(shù)的數(shù)控加工車(chē)間的刀具管理，還是采用傳統(tǒng)的工具庫(kù)房管理方式，即數(shù)控機(jī)床操作員按照車(chē)間計(jì)劃員的工藝卡或刀具卡到刀具庫(kù)房進(jìn)行領(lǐng)取刀柄、刀具以及刀片，由倉(cāng)庫(kù)管理員進(jìn)行手工臺(tái)賬的記錄和領(lǐng)刀員領(lǐng)料簽字，然后到對(duì)刀儀上進(jìn)行刀具測(cè)量，對(duì)刀數(shù)據(jù)通過(guò)手寫(xiě)在紙條或標(biāo)簽上，最后將裝調(diào)好的整套刀具安裝到數(shù)控機(jī)床的主軸上和刀庫(kù)中。其中的管理方式主要采用臺(tái)賬薄人員手工登記，刀具數(shù)據(jù)通常是操作員臨時(shí)手工記錄輸入機(jī)床。這種傳統(tǒng)的刀具管理方式已經(jīng)不能適應(yīng)智能制造的信息化和自動(dòng)化要求。

智能制造工廠要有一套強(qiáng)大的ERP平臺(tái)，通常選擇SAP等企業(yè)信息化管理軟件，其中智能刀具管理系統(tǒng)可選擇TDM等專(zhuān)業(yè)刀具數(shù)據(jù)管理軟件，同時(shí)利用智能化設(shè)備進(jìn)行刀具的智能化領(lǐng)用、刀具參數(shù)讀取存儲(chǔ)，智能化刀具管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)模型一般由設(shè)備層、數(shù)據(jù)層、管理層三大模塊組成。設(shè)備層主要包括智能刀具柜、自動(dòng)AGV、刀具RFID等智能設(shè)備，數(shù)據(jù)層主要包括刀具庫(kù)存信息、刀具裝調(diào)參數(shù)、刀具切削參數(shù)、加工工藝卡和刀具自動(dòng)配送，管理層主要由ERP平臺(tái)或TDM軟件負(fù)責(zé)整個(gè)數(shù)控刀具系統(tǒng)的管理。智能化刀具管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 智能刀具管理總體架構(gòu)

基于智能制造環(huán)境下的智能化刀具配送管理模塊，應(yīng)該由智能化選刀、智能化調(diào)刀、智能化送刀和智能化還刀等環(huán)節(jié)組成。其工作流程主要由ERP中央控制平臺(tái)根據(jù)工藝流程卡內(nèi)容向TDM刀具管理系統(tǒng)發(fā)出工序所需刀具清單，或者由任意一臺(tái)數(shù)控機(jī)床工位所發(fā)出來(lái)的調(diào)刀或還刀呼叫信號(hào)，刀具管理系統(tǒng)將根據(jù)刀具需求信息向刀具室或其他倉(cāng)庫(kù)管理單位的智能設(shè)備發(fā)出刀具調(diào)撥信息后，智能化刀具柜將自動(dòng)調(diào)出所需刀具，然后由刀具管理員或機(jī)械手裝運(yùn)到AGV刀具運(yùn)送車(chē)自動(dòng)配送至指定需求工位，從而實(shí)現(xiàn)刀具管理的智能化。

主要關(guān)鍵設(shè)施

面向智能工廠的數(shù)控刀具室，可以在智能工廠新建規(guī)劃時(shí)就考慮進(jìn)去，也可以在現(xiàn)有數(shù)控機(jī)械加工車(chē)間中利用空余位置進(jìn)行專(zhuān)區(qū)圍檔改造。不論是廠房新建還是在舊廠房改建，數(shù)控刀具室通常都是一樣的布置和功能，主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)控刀具的智能化管理和自動(dòng)化配送。

數(shù)控刀具管理配送室的基礎(chǔ)建設(shè)可以采用鋁型材和亞克力進(jìn)行圍檔，或者采用封閉式隔斷空間（玻璃房），內(nèi)部高度約2.8m，室內(nèi)地面做環(huán)氧樹(shù)脂地坪漆。其中刀具室的面積大小，可以根據(jù)本機(jī)加車(chē)間的數(shù)控機(jī)床臺(tái)數(shù)和刀具配置情況進(jìn)行計(jì)算，本文所設(shè)計(jì)的一種刀具管理室布置如圖2所示。

圖2 數(shù)控刀具室布置設(shè)計(jì)圖

數(shù)控刀具室內(nèi)的主要設(shè)備由智能刀具柜、刀柄刀具柜（存放組裝好的成套刀具）、刀具調(diào)整操作員工作臺(tái)、AGV自動(dòng)刀具搬運(yùn)車(chē)、手推刀具搬運(yùn)車(chē)、對(duì)刀儀、固定式鋼質(zhì)工作臺(tái)及超聲波刀具清洗機(jī)等組成。

1.智能刀具柜

智能刀具柜如圖3所示，主要用于清晰地存放 CNC刀具（刀片、鉆頭、銑刀、絲錐等消耗類(lèi)刀具）。通過(guò)智能柜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)化存取和管理。

圖3 智能刀具柜

管理軟件一般采用刷卡或指紋的登錄控制方式，抽屜數(shù)量至少要達(dá)到10層，具備5S整理功能；每層抽屜配備可調(diào)節(jié)的分隔片以存放大小不同的刀具；該智能刀具柜的管理軟件必須具備可擴(kuò)展連接ERP軟件的開(kāi)放功能。智能刀具柜的軟件界面如圖4所示。

圖4 智能刀具柜軟件界面

智能刀具柜主要功能如下：

（1）自動(dòng)領(lǐng)刀操作 自動(dòng)領(lǐng)刀開(kāi)柜，員工刷卡登錄后，輸入工藝卡上需要領(lǐng)取刀具的型號(hào)或名稱(chēng)，即可領(lǐng)用相應(yīng)刀具，輸入相應(yīng)數(shù)量后，智能刀具柜即可自動(dòng)打開(kāi)相應(yīng)的抽屜進(jìn)行取料，同時(shí)自動(dòng)生成領(lǐng)用記錄，并更新實(shí)時(shí)庫(kù)存數(shù)據(jù)。

（2）批量領(lǐng)刀 批量操作領(lǐng)刀時(shí)，智能依次輸入刀具型號(hào)、數(shù)量等，進(jìn)入待領(lǐng)清單，可一次性將待領(lǐng)清單內(nèi)所有抽屜全部打開(kāi)，方便快速領(lǐng)刀，降低開(kāi)關(guān)抽屜頻次，提高自動(dòng)抽屜的使用壽命。

（3）安全庫(kù)存提醒 可設(shè)定各刀具型號(hào)和品種的最低安全庫(kù)存量，低于設(shè)定之最低安全庫(kù)存量時(shí)，管理系統(tǒng)的軟件界面和系統(tǒng)設(shè)置郵箱會(huì)進(jìn)行顯示提醒，提醒管理員進(jìn)行補(bǔ)貨。

（4）庫(kù)存數(shù)據(jù)查詢 可通過(guò)Web客戶端實(shí)時(shí)庫(kù)存查詢和記錄查詢，方便遠(yuǎn)程查看刀具實(shí)時(shí)在線庫(kù)存情況和統(tǒng)計(jì)報(bào)表等,可查看如下統(tǒng)計(jì)報(bào)表：記錄查詢表，領(lǐng)料補(bǔ)貨匯總表、庫(kù)存信息表、成本匯總表等。

（5）刀具出入庫(kù)管理 領(lǐng)料時(shí)支持多種領(lǐng)料模式：常規(guī)領(lǐng)料，按物料編號(hào)、按刷條碼、按工單、產(chǎn)品領(lǐng)料等。

（6）系統(tǒng)后臺(tái)設(shè)置 首先要設(shè)置操作員和管理員帳戶及密碼，再進(jìn)行刀具物料數(shù)據(jù)錄入，支持自動(dòng)導(dǎo)入物料信息表格，建立刀具基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和刀具入庫(kù)數(shù)據(jù)表。

（7）支持柜體擴(kuò)展功能 根據(jù)用戶需求增加相應(yīng)輔柜以增加刀具存儲(chǔ)容量。在后臺(tái)對(duì)柜體抽屜內(nèi)的分格進(jìn)行編號(hào)，并在刀具數(shù)據(jù)庫(kù)選取存儲(chǔ)刀具進(jìn)行關(guān)聯(lián)，即可建立入庫(kù)單投入使用。

（8）智能刀具柜的軟件開(kāi)放數(shù)據(jù)中間表 便于開(kāi)放接口外接ERP、MES等軟件系統(tǒng)，可根據(jù)用戶的界面需求開(kāi)發(fā)。

2.RFID刀具電子標(biāo)簽

利用RFID（射頻識(shí)別技術(shù)）標(biāo)簽嵌入刀柄金屬體內(nèi)如圖5所示，實(shí)現(xiàn)單支刀柄刀具的自動(dòng)識(shí)別跟蹤、刀具數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和刀具全生命周期管理。

圖5 刀柄電子標(biāo)簽

由于數(shù)控刀具的使用環(huán)境為高轉(zhuǎn)速和切削液與碎鐵屑環(huán)繞，所以刀具電子標(biāo)簽需要選用抗干擾能力強(qiáng)、防油污和高壽命的RFID元器件，它能夠及時(shí)準(zhǔn)確地采集各種智能設(shè)備（如數(shù)控機(jī)床和對(duì)刀儀）上所使用刀具信息和刀具數(shù)據(jù)（如刀具編號(hào)和刀具工藝參數(shù)），并且能迅速地在主機(jī)與主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，擺脫了傳統(tǒng)的對(duì)刀參數(shù)手抄情況。需要注意的是，由于電子標(biāo)簽鑲嵌操作會(huì)破壞數(shù)控刀柄原先的動(dòng)平衡，因此完成電子標(biāo)簽嵌入作業(yè)后需要重新對(duì)刀柄進(jìn)行動(dòng)平衡處理。

3.AGV刀具自動(dòng)運(yùn)送車(chē)

選用外形尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、行走靈活的AGV小車(chē)搭載定制刀柄架如圖6所示，實(shí)現(xiàn)刀具架上加載刀具物料配送的自動(dòng)化。

圖6 AGV刀具車(chē)

AGV刀具自動(dòng)運(yùn)送車(chē)采用智能化的激光導(dǎo)航系統(tǒng)，可雙向前后進(jìn)行行駛與原地90°旋轉(zhuǎn)，通過(guò)無(wú)線中央控制站與AGV、充電站、機(jī)床工位呼叫站、刀具室之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制調(diào)度，可根據(jù)客戶需求增加與數(shù)控機(jī)床機(jī)械手的聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)管理，同時(shí)可支持各種工控協(xié)議實(shí)現(xiàn)與ERP、MES、WMS等系統(tǒng)聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、無(wú)人化的刀具配送。

結(jié)語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為機(jī)械加工車(chē)間的主流智能設(shè)備，通常一臺(tái)數(shù)控機(jī)床需配備幾十把數(shù)控刀具。這樣，一個(gè)普通的數(shù)控車(chē)間刀具配備數(shù)量就多達(dá)上千把，而當(dāng)前大多數(shù)的數(shù)控加工企業(yè)仍然常用手工臺(tái)帳和紙質(zhì)條碼等傳統(tǒng)方式來(lái)管理刀具，在智能制造的大趨勢(shì)下，數(shù)控刀具的智能化管理必將成為智能制造系統(tǒng)升級(jí)中的一個(gè)重要分支方向。本文通過(guò)對(duì)面向智能化工廠的數(shù)控刀具配送室的總體架構(gòu)和主要設(shè)施進(jìn)行了分析，并對(duì)其中關(guān)鍵的智能設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能要求和主要參數(shù)進(jìn)行了介紹，對(duì)智能化機(jī)加工車(chē)間的數(shù)控刀具室建設(shè)和改造具有一定的借鑒意義。