浅谈关于数控刀库设计中存在的问题及对策分析

2019-01-17王东辉

中国设备工程 2019年8期

王东辉

（内蒙古工业大学工程训练教学部，内蒙古呼和浩特 010080）

刀库系统的出现是为了解决生产中存在的效率问题，在以前加工过程中，不同类型的产品需要使用不同类型的刀具来进行处理，而且对产品处理的要求也大不相同，这就导致了在加工过程中必须停下来换刀，相应的机器设备就需要停工进行等待，如果中断设备运行，重启需要耗费更长的时间；只能使设备保持原状态等待换刀过程的结束，这时也会引起电能的消耗，工序进行的时间也会相应地增长，也导致了效率的降低。为了解决这个问题，我们事先把需要使用的刀具存放在刀库系统中，并在计算机的控制下进行生产过程的换刀、加工等动作，计算机与人力相比速度更快，更节省时间。数控刀库设计的目的在于实现在生产过程中全自动、快速地换刀，从而提高生产效率。下面我们就对设计过程中存在的一些问题进行探讨与分析，并寻找相应的解决方案。

1 换刀过程的实现

本次设计中采用的是带有机械手的自动换刀装置，在计算机控制下由机械手实现取刀、换刀等操作。在没有工作命令的状态下，机械手的两个刀夹处在紧闭状态下。紧闭状态的保持既可以通过弹簧实现，也可以通过电磁铁来实现。通过弹簧可以降低电能的消耗，而电磁铁易于控制，通过改变流过电流的大小，就可以很好地改变机械手闭合的程度。在实际应用中，可以根据需要自行选取控制的方式。当设备开始工作时，计算机会向机械手发出命令，机械手会随之移动到系统要求的换刀位置。而与此同时，操作中所需要的刀具也会在传动装置的作用下移动到相同的位置，当刀具到达指点位置后，系统收到反馈。如何判断刀具是否到达指定位置可以通过安装光电门来实现，一旦到达预定位置，光电门就会向系统传递信号通知计算机，计算机接到这个信号后，再向机械手发出取刀命令。接到取刀命令后，机械手的两个刀夹单元自动松开，定位到所需刀具后再进行夹持，在弹簧或电磁铁的作用下紧紧夹住刀具。刀具离开传送装置，传送装置会根据系统的需要前进或者后退，同时机械手会回到初始位置进行工作。通过上述对工作过程的分析，可以意识到换刀过程中最关键的就是定位问题。

2 机械手的设计

在换刀过程中，机械手夹持力大小的控制是比较关键的一个步骤。如果施加的力过大，机械手的承重就比较大，也有可能对刀具造成损害，甚至有可能夹坏刀具。如果施加的力过小，道具有可能会中途掉落，对操作人员和整个系统都有很大的风险，甚至会造成安全事故。因此，如何精确的控制施加力的大小是我们必须要解决的问题。在使用弹簧控制取刀的装置中，弹簧的选取和安放就非常重要。为了保证两只机械手施加力的均匀，弹簧的弹性系数，长度各方面最好一致。此外，还应保证弹簧在机械手中安装的位置要对称。为了避免机械手夹断刀具的情况发生，对机械手的制作材料也有一定的要求，它的硬度要比刀具小，但为了耐用性又不能太小。

3 传动装置的设计

传动轴的存在是实现换刀过程的重要保障，设备所要切换的道具放置在传动轴上，并根据传动装置的运动而移动，从而实现换刀动作。出于安全考虑，我们需要对轴的转动速度和力矩进行计算分析，并要考虑放置在传动装置上的刀具的重量。在实际应用中，传动轴的转速决定着换刀所需的时间，但转速不能太快，一是考虑到电动机的功率，二是如果转速过高会导致与空气摩擦产生热量，存在安全隐患。因此转速的精确控制也是我们需要考虑的一个问题，可以使用传感器和反馈系统实现对系统转速的控制。

4 选择刀具的方法

工作中机械手就可以按工序进行的顺序进行切换，每道工序执行的时间也是已知的，我们既可以通过硬件，如定时器来驱动控制何时进行换刀，也可以通过软件即计算机编程来决定换刀的时间。用硬件驱动可靠性高，工作速度快，但外部线路的开销比较大；软件驱动可以节省外部电路，但编程过程复杂，软件设计人员需要对其进行不断的调试。总之，这种顺序换刀方式节省了计算机编程和传动系统的开销，缺点是灵活性小，只能适用于一道工序。在工作过程中，一种刀具有可能会重复使用多次，这就造成了资源的浪费，无形中也扩大了所需刀库的容量。为了解决这个问题，我们可以对不同类型的刀具进行编号，然后把已经编号的刀具存放在刀盘中固定的位置，并把编号的代码存在计算机系统中。一旦将编号保存到系统中，刀具在刀盘中的位置便不能改变，否则就会造成工序出错，达不到加工的效果。接下来我们可以通过编写程序的方法实现对各种型号的刀具的切换，当需要使用某一种类型的刀具时，就会通过调用相应的子程序来控制刀库系统换刀，同时，传动装置也会将刀具送到指定位置。这大大提高了操作的灵活性，也在一定程度上降低了所需刀盘的容量，而且如果设置得当，容量足够大，基本可以用于任何工序的生产。

5 刀盘类型的选择及其容量配置

不同的刀库其容量、外观形状和换刀的方式各不相同，常见的刀盘有斗笠式、圆盘式、传送带式等。斗笠式刀库在换刀时必须整体随传动装置移动。圆盘式的优点是负荷小，经常用于小型加工设备。传送式的容量一般比前两者较大，并且在结构上比圆盘式要简单，转换速度快，可靠性高，相应地因为性能的优越造价就比较高，所以传送带式刀盘一般需要客户自己定制。对于各种类型的刀盘，当刀具较少时，相互之间的位置都可以比较远，但当容量要求比较大时，在结构上就可以紧凑些，但是程度是有限的，如果靠得过近，反而会影响到正常的工作。因此，为了扩大容量，我们还可以采用双圆盘式，即在圆盘式的下端也放置刀具，相应的，传送带式可以通过增长传送带的方法来扩大容量。

6 动力系统的选择

不同的动力系统有各自的特点和适用范围，目前常见的动力装置有液压式、气压式以及电动机式。液压式即通常所说的油压式，基本结构包括：活塞、活塞杆、缸盖、密封装置，根据特殊场合的需要，还可以添加进行缓冲和实现排气的装置。它的优点是结构比较简单易行，工作过程中具有更高的可靠性，而且与其他类型的动力系统相比，在相同的体积下可以产生更高的动力，换句话说，如果想满足同等功率的要求，所需液压缸的体积会比气压缸和电动机要小，并且结构也比较简单，节约空间。当用液压缸实现往复运动时，可以不需要减速装置，在工作过程中运行比较平稳。

7 提高换刀速度的方法

在工业生产中，时间就意味着效率和金钱。数字控制的换刀系统的出现本身就是为了提高效率和节省时间，提高换刀速度是工程师在进行设计时追求的首要目标。从物理学的角度来分析，换刀运动对于机械手来说不是平动而是转动，因此，换刀速度的快慢取决于转动惯量的大小，转动惯量越小，换刀速度越快。从机械手转动惯量的角度分析，影响机械手换刀速度的原因主要有以下几个方面：（1）刀臂即机械手两刀夹单元的长度。（2）机械手两刀夹单元的角度。（3）动力系统的质量和提供的动力大小。接下来我们将分别对这几个因素进行探讨和分析，从而找到提高换刀速度的方法。

7.1 机械手两刀夹单元的长度的长度和角度

机械手在换刀过程中进行的不是平动而是转动，因此转动的速度要受到自身长度和转动角度的影响。刀夹单元的长度不宜太长，进行夹刀动作时张开的角度应正好能夹到刀即可。除此之外，机械手自身的质量也会影响到转动的速度，在制造时可以选取适当的材料，密度要小，硬度要大。

7.2 机械手在旋转时的旋转方向

在圆盘式刀库系统中，当进行换刀动作时，为了加快工作速度，机械手旋转的角度和距离应该是最小和最近的。举个例子来说明如何选择，有二十四个刀具的圆盘式刀库系统，其刀具的编号由1到24顺时针顺序排列。如果在工作时，当前机械手正对的刀具单元是9号位，下一次换刀时需要旋转到4号位，此时就要按逆时针旋转，这样走过的距离才是最小的。为了实现这种智能控制，在进行程序设计时要加入一个进行距离判断的程序，可以对当前编号到下一编号的距离进行计算，并作出决策，即进行顺时针旋转还是逆时针旋转。