淺談關(guān)于數(shù)控刀庫設(shè)計(jì)中存在的問題及對(duì)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(duì)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(jī)器設(shè)備就需要停工進(jìn)行等待，如果中斷設(shè)備運(yùn)行，重啟需要耗費(fèi)更長的時(shí)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(shí)也會(huì)引起電能的消耗，工序進(jìn)行的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)地增長，也導(dǎo)致了效率的降低。為了解決這個(gè)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(jì)算機(jī)的控制下進(jìn)行生產(chǎn)過程的換刀、加工等動(dòng)作，計(jì)算機(jī)與人力相比速度更快，更節(jié)省時(shí)間。數(shù)控刀庫設(shè)計(jì)的目的在于實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)過程中全自動(dòng)、快速地?fù)Q刀，從而提高生產(chǎn)效率。下面我們就對(duì)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)

本次設(shè)計(jì)中采用的是帶有機(jī)械手的自動(dòng)換刀裝置，在計(jì)算機(jī)控制下由機(jī)械手實(shí)現(xiàn)取刀、換刀等操作。在沒有工作命令的狀態(tài)下，機(jī)械手的兩個(gè)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(shí)現(xiàn)，也可以通過電磁鐵來實(shí)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(jī)械手閉合的程度。在實(shí)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(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)向機(jī)械手發(fā)出命令，機(jī)械手會(huì)隨之移動(dòng)到系統(tǒng)要求的換刀位置。而與此同時(shí)，操作中所需要的刀具也會(huì)在傳動(dòng)裝置的作用下移動(dòng)到相同的位置，當(dāng)?shù)毒叩竭_(dá)指點(diǎn)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(shí)現(xiàn)，一旦到達(dá)預(yù)定位置，光電門就會(huì)向系統(tǒng)傳遞信號(hào)通知計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接到這個(gè)信號(hào)后，再向機(jī)械手發(fā)出取刀命令。接到取刀命令后，機(jī)械手的兩個(gè)刀夾單元自動(dòng)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(huì)根據(jù)系統(tǒng)的需要前進(jìn)或者后退，同時(shí)機(jī)械手會(huì)回到初始位置進(jìn)行工作。通過上述對(duì)工作過程的分析，可以意識(shí)到換刀過程中最關(guān)鍵的就是定位問題。

2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)

在換刀過程中，機(jī)械手夾持力大小的控制是比較關(guān)鍵的一個(gè)步驟。如果施加的力過大，機(jī)械手的承重就比較大，也有可能對(duì)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(huì)中途掉落，對(duì)操作人員和整個(gè)系統(tǒng)都有很大的風(fēng)險(xiǎn)，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(jī)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(jī)械手中安裝的位置要對(duì)稱。為了避免機(jī)械手夾斷刀具的情況發(fā)生，對(duì)機(jī)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(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

傳動(dòng)軸的存在是實(shí)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(dòng)軸上，并根據(jù)傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)換刀動(dòng)作。出于安全考慮，我們需要對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和力矩進(jìn)行計(jì)算分析，并要考慮放置在傳動(dòng)裝置上的刀具的重量。在實(shí)際應(yīng)用中，傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定著換刀所需的時(shí)間，但轉(zhuǎn)速不能太快，一是考慮到電動(dòng)機(jī)的功率，二是如果轉(zhuǎn)速過高會(huì)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(gè)問題，可以使用傳感器和反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的控制。

4 選擇刀具的方法

工作中機(jī)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(shí)間也是已知的，我們既可以通過硬件，如定時(shí)器來驅(qū)動(dòng)控制何時(shí)進(jìn)行換刀，也可以通過軟件即計(jì)算機(jī)編程來決定換刀的時(shí)間。用硬件驅(qū)動(dòng)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(dòng)可以節(jié)省外部電路，但編程過程復(fù)雜，軟件設(shè)計(jì)人員需要對(duì)其進(jìn)行不斷的調(diào)試。總之，這種順序換刀方式節(jié)省了計(jì)算機(jī)編程和傳動(dòng)系統(tǒng)的開銷，缺點(diǎn)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(huì)重復(fù)使用多次，這就造成了資源的浪費(fèi)，無形中也擴(kuò)大了所需刀庫的容量。為了解決這個(gè)問題，我們可以對(duì)不同類型的刀具進(jìn)行編號(hào)，然后把已經(jīng)編號(hào)的刀具存放在刀盤中固定的位置，并把編號(hào)的代碼存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。一旦將編號(hào)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(huì)造成工序出錯(cuò)，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(shí)現(xiàn)對(duì)各種型號(hào)的刀具的切換，當(dāng)需要使用某一種類型的刀具時(shí)，就會(huì)通過調(diào)用相應(yīng)的子程序來控制刀庫系統(tǒng)換刀，同時(shí)，傳動(dòng)裝置也會(huì)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(shí)必須整體隨傳動(dòng)裝置移動(dòng)。圓盤式的優(yōu)點(diǎn)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?yàn)樾阅艿膬?yōu)越造價(jià)就比較高，所以傳送帶式刀盤一般需要客戶自己定制。對(duì)于各種類型的刀盤，當(dāng)?shù)毒咻^少時(shí)，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(shí)，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(huì)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(dòng)力系統(tǒng)的選擇

不同的動(dòng)力系統(tǒng)有各自的特點(diǎn)和適用范圍，目前常見的動(dòng)力裝置有液壓式、氣壓式以及電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)排氣的裝置。它的優(yōu)點(diǎn)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(dòng)力系統(tǒng)相比，在相同的體積下可以產(chǎn)生更高的動(dòng)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(huì)比氣壓缸和電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以不需要減速裝置，在工作過程中運(yùn)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(shí)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(shí)間，提高換刀速度是工程師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)追求的首要目標(biāo)。從物理學(xué)的角度來分析，換刀運(yùn)動(dòng)對(duì)于機(jī)械手來說不是平動(dòng)而是轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，換刀速度的快慢取決于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，換刀速度越快。從機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的角度分析，影響機(jī)械手換刀速度的原因主要有以下幾個(gè)方面：（1）刀臂即機(jī)械手兩刀夾單元的長度。（2）機(jī)械手兩刀夾單元的角度。（3）動(dòng)力系統(tǒng)的質(zhì)量和提供的動(dòng)力大小。接下來我們將分別對(duì)這幾個(gè)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(jī)械手兩刀夾單元的長度的長度和角度

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

7.2 機(jī)械手在旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向

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

7.3 動(dòng)力系統(tǒng)的影響

動(dòng)力系統(tǒng)提供的動(dòng)力大小直接影響了傳動(dòng)裝置的旋轉(zhuǎn)速度，在進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)如液壓缸和電動(dòng)機(jī)的選擇時(shí)要選取適當(dāng)?shù)男吞?hào)。

8 結(jié)語

自動(dòng)刀庫的發(fā)展依賴于計(jì)算機(jī)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(jì)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(huì)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(dòng)化、智能化、多功能化。