數(shù)控刀庫(kù)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及對(duì)策探析
2024-5-29 來(lái)源：通用技術(shù)集團(tuán)大連機(jī)床有限責(zé)任公司 作者：王盟；孫造；唐倩；李金鳳
摘要：近幾年電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，在個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)工作中都得到了廣泛的應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)字控制越來(lái)越成熟和先進(jìn)，極大的提升了加工機(jī)床的效率及可靠性，數(shù)控加工中心配置刀庫(kù)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速自動(dòng)換刀，極大的提升了零件加工的質(zhì)量與效率，對(duì)加工機(jī)床效率的提升起著決定性作用，因此，本文就數(shù)控刀庫(kù)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的優(yōu)化對(duì)策。
關(guān)鍵詞：數(shù)控；刀庫(kù)設(shè)計(jì)；問(wèn)題；對(duì)策
0 引言
刀庫(kù)系統(tǒng)極大的解決了當(dāng)前生產(chǎn)過(guò)程中的效率問(wèn)題，改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品加工、處理方式，將使用的刀具事先放到刀庫(kù)系統(tǒng)中，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的控制下，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的換刀、加工等動(dòng)作的自動(dòng)化，節(jié)省更多的時(shí)間，數(shù)控刀庫(kù)設(shè)計(jì)的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的全自動(dòng)及快速換刀，從而提升生產(chǎn)效率，本文就數(shù)控刀庫(kù)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，尋求相應(yīng)的對(duì)策，從而進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率。
1 、換刀過(guò)程中的問(wèn)題及對(duì)策
數(shù)控設(shè)計(jì)中換刀過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)械手的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)取刀、換刀等操作的，在沒(méi)有命令工作命令的狀態(tài)下，機(jī)械手是緊閉的，一般通過(guò)彈簧或電磁鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)緊閉狀態(tài)[1]。利用彈簧能夠減少電能的消耗，而利用電磁鐵則更好控制機(jī)械手的閉合程度，這需要根據(jù)實(shí)際的需求狀況來(lái)確定；在開(kāi)始工作時(shí)，計(jì)算機(jī)向機(jī)械手發(fā)出指令，并根據(jù)系統(tǒng)的要求移動(dòng)到換刀位置，并將需要的刀具移動(dòng)到相同的位置，反饋到系統(tǒng)中。
刀具到達(dá)固定位置夠就會(huì)通過(guò)電光門(mén)想系統(tǒng)傳遞信號(hào)，之后命令機(jī)械手取刀，渠道后機(jī)械手回到初始位置進(jìn)行換刀。整個(gè)過(guò)程中，我們可以發(fā)現(xiàn)定位問(wèn)題是比較關(guān)鍵的，在取刀、換刀的過(guò)程中，都需要機(jī)械手或傳送裝置定位的準(zhǔn)確性，確保能夠在預(yù)定的位置上進(jìn)行操作。
2 、機(jī)械手設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及對(duì)策
對(duì)換刀過(guò)程的了解，可以看出機(jī)械手在這個(gè)過(guò)程中起著關(guān)鍵性的作用，而在取刀、換刀的過(guò)程中，機(jī)械手力的大小控制十分重要，若施加的力過(guò)大，就可能會(huì)損壞刀具，若過(guò)小則難以?shī)A緊刀具，導(dǎo)致中途掉落，影響整個(gè)加工過(guò)程的順利進(jìn)行[2]。因此如何控制機(jī)械手里的大小是機(jī)械手設(shè)計(jì)中較為關(guān)鍵性的問(wèn)題。
主要存在與使用彈簧控制的裝置中，需要重視彈簧的選擇和位置的安放，需要確保彈簧的彈性系數(shù)、長(zhǎng)度等各方面保持一致，安放的位置要兩只機(jī)械手中對(duì)稱(chēng)；其次為避免機(jī)械手夾斷刀具，機(jī)械手制作材料的硬度需要小于刀具，還需要具有一定的耐用性。
3 、傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及對(duì)策
傳送裝置是將刀具傳輸?shù)筋A(yù)定位置的主要工具，其中傳動(dòng)軸是實(shí)現(xiàn)換刀過(guò)程的一個(gè)重要保障，將需要切換的刀具放到傳動(dòng)軸上，并隨著傳動(dòng)裝置進(jìn)行移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)換刀的操作過(guò)程，但是為進(jìn)一步確保生產(chǎn)的安全性，需要對(duì)傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度及力矩進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算分析[3]，以及需要傳送刀具的重量，這些都對(duì)換刀過(guò)程有著極大的影響。
其中傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定者換刀需要的時(shí)間，但是如果轉(zhuǎn)速過(guò)快，就需要考慮到電動(dòng)機(jī)的功率能否達(dá)到相應(yīng)的需求；另外是如果轉(zhuǎn)速過(guò)快還可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)軸與空氣間的摩擦產(chǎn)生的熱量，存在一定的安全隱患。因此需要對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速控制的問(wèn)題，是傳送裝置設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題。我們可以通過(guò)借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用傳感器及反饋系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速及傳送過(guò)程的反饋，進(jìn)行轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確控制，使其能夠在合適的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，按時(shí)間達(dá)到預(yù)定的位置。
4 、刀具的選擇辦法
在數(shù)控加工機(jī)床工作的過(guò)程中，機(jī)械手能夠依照工序的需求進(jìn)行相應(yīng)的切換，通常來(lái)說(shuō)每道工作操作的時(shí)間都是固定的，硬度可以通過(guò)定時(shí)實(shí)現(xiàn)其對(duì)換刀時(shí)間的有效控制，另外還可以通過(guò)采用計(jì)算機(jī)軟件編程的方式來(lái)控制和決定換刀的時(shí)間。
其中通過(guò)硬件即定時(shí)器驅(qū)動(dòng)具有更高的可靠性，且工作速度也比較快，但會(huì)在一定程度上增加外部線(xiàn)路的成本；而采用軟件即計(jì)算機(jī)編程的方式，能夠極大的減少外部線(xiàn)路的成本，但編程的過(guò)程較為復(fù)雜，需要進(jìn)行不斷的調(diào)試[4]，才能確定一個(gè)合適的時(shí)間及程序，確保換刀工作的順利進(jìn)行。
因此可見(jiàn)這兩種換刀的方法均有一定的優(yōu)勢(shì)及缺點(diǎn)，因此適用的工序范圍也比較有限，而在實(shí)際工作中，一種刀具往往需要多次重復(fù)使用，來(lái)回變換換刀方法會(huì)造成一定的資源浪費(fèi)，也增加了刀庫(kù)的容量，因此對(duì)刀具的選擇辦法也成為了換刀過(guò)程中需要解決的一個(gè)問(wèn)題。
我們可以將不同類(lèi)型的刀具進(jìn)行編號(hào)，之后進(jìn)行統(tǒng)一的歸類(lèi)管理，將刀具的編碼代號(hào)存入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，并將其放置在固定的位置上，且不能改變，之后通過(guò)計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)各種型號(hào)刀具的切換，每種類(lèi)型的刀具對(duì)已相應(yīng)的換刀方法，通過(guò)子程序的調(diào)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)系統(tǒng)換刀[5]，此時(shí)傳動(dòng)裝置也會(huì)將相應(yīng)的刀具送到預(yù)定的位置，極大的提高了換刀過(guò)程的靈活性，降低了當(dāng)盤(pán)的容量，如果程序設(shè)置比較合理，基本上能夠滿(mǎn)足于人格工序生產(chǎn)的設(shè)置。
5、刀盤(pán)類(lèi)型及容量配置的選擇
不同刀庫(kù)的容量、外觀形狀及換刀的方式有著一定的差別，在數(shù)控加工機(jī)床的生產(chǎn)過(guò)程中，常見(jiàn)的刀盤(pán)有斗笠式、圓盤(pán)式以及傳動(dòng)帶式等幾種不同的形式[6]。其中斗笠式的反饋在換刀的過(guò)程中，必須要整體對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置進(jìn)行移動(dòng)；圓盤(pán)式的刀庫(kù)負(fù)荷比較小，常被用于各種小型設(shè)備的加工之中；而傳送帶式的刀盤(pán)容量則比前兩種要大很多，且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也要比圓盤(pán)式刀庫(kù)簡(jiǎn)單很多，有著較快的轉(zhuǎn)速，可靠性也比較強(qiáng)，但是這種刀盤(pán)相應(yīng)的造價(jià)也會(huì)比較高，一般需要客戶(hù)根據(jù)自己的需求進(jìn)行針對(duì)性的定制。
不論是什么樣類(lèi)型的刀盤(pán)，在刀具使用量比較少的使用，之間間隔的距離會(huì)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較遠(yuǎn)，但是當(dāng)?shù)毒呷萘枯^大的時(shí)候，就會(huì)在結(jié)構(gòu)上緊湊一點(diǎn)，但其能夠承受的程度是十分有限的，一旦超過(guò)了限制就會(huì)對(duì)正常加工生產(chǎn)造成一定的影響。
因此在刀盤(pán)容量的設(shè)計(jì)上，為了滿(mǎn)足對(duì)大容量的需求，以及緊湊度的要求，可以通過(guò)采用雙圓盤(pán)的方式或是將傳送帶式刀盤(pán)增長(zhǎng)傳送帶，這樣的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)刀盤(pán)擴(kuò)容的需求，使得刀盤(pán)的容量能夠滿(mǎn)足與正常加工生產(chǎn)。
6 、動(dòng)力系統(tǒng)的選擇
數(shù)控刀庫(kù)設(shè)計(jì)中，動(dòng)力系統(tǒng)的合理選擇，也是影響其工作效果的重要因素。不同動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)有自己一定的特點(diǎn)以及適用的范圍，在當(dāng)前的數(shù)控加工當(dāng)中常用到的動(dòng)力系統(tǒng)裝置有液壓式、氣壓式以及電動(dòng)機(jī)式。其中液壓式的基本結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，由活塞、活塞桿、缸蓋以及密封裝置等構(gòu)成，并且還可以根據(jù)其使用場(chǎng)合的特殊性，還能夠添加緩沖以及排氣的實(shí)現(xiàn)裝置[7]，這種動(dòng)力系統(tǒng)裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且比較容易操作，在實(shí)際工作中具有更強(qiáng)的使用性以及可靠性，并且與其他類(lèi)型的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，其能夠在相同體積條件設(shè)定下產(chǎn)生更大的動(dòng)力，也就是說(shuō)采用液壓式的動(dòng)力系統(tǒng)，其需要的液壓缸的體積要比氣壓缸及電動(dòng)機(jī)要小的多，能夠在一定程度上節(jié)約出更多的空間，且在進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，不需要采用減速裝置，因此在工作運(yùn)行的過(guò)程中，其提供的動(dòng)力也更加的穩(wěn)定，從而極大的節(jié)省了生產(chǎn)的成本。
7 、換刀速度的加快方式
數(shù)控刀庫(kù)設(shè)計(jì)的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的全自動(dòng)及快速換刀，從而提升生產(chǎn)效率。因此在數(shù)控刀庫(kù)的設(shè)計(jì)中，對(duì)于如何提升換刀速度方式的研究、設(shè)計(jì)也就變得更為重要[8]，是工程師在進(jìn)行數(shù)控刀庫(kù)設(shè)計(jì)書(shū)首要追求的一個(gè)目標(biāo)。換刀的過(guò)程，從機(jī)械手的操作過(guò)程來(lái)看，是機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)而非是平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以換刀速度在一定程度上與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小有關(guān)聯(lián)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，換刀的速度也就越快。
其中影響機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的原因有以下幾種：其一是機(jī)械手兩刀夾的單元長(zhǎng)度；其二是機(jī)械手兩刀夾單元的角度大小；其三則是動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力的大小對(duì)機(jī)械臂的影響。針對(duì)這三個(gè)問(wèn)題，分別提出相應(yīng)的優(yōu)化對(duì)策，進(jìn)而為提升換刀速度、促進(jìn)效率的提高提供相應(yīng)參考。
7.1 機(jī)械手兩刀夾單元長(zhǎng)度及角度
根據(jù)上述對(duì)換刀過(guò)程的了解，可以看出機(jī)械手在換刀過(guò)程中是進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，而非平動(dòng)，所以其轉(zhuǎn)動(dòng)的速度會(huì)在一定程度上受到機(jī)械手自身長(zhǎng)度及轉(zhuǎn)動(dòng)角度的影響。
如果機(jī)械手兩刀夾單元長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致其張開(kāi)角度難以控制，過(guò)短則會(huì)延長(zhǎng)及角度張開(kāi)的時(shí)間，所以刀夾單元長(zhǎng)度設(shè)置在加到動(dòng)作時(shí)，其張開(kāi)角度剛好能夠夾到刀具就可以，這就需要通過(guò)多次試驗(yàn)操作分析后得出相應(yīng)數(shù)值。另外機(jī)械手的質(zhì)量也會(huì)對(duì)傳動(dòng)的速度造成一定的影響，一般選擇使用密度小、硬度大但小于刀具的材料完成機(jī)械手的制作。
7.2 機(jī)械手旋轉(zhuǎn)角度
圓盤(pán)式刀庫(kù)系統(tǒng)，在換刀時(shí)，為了提升換刀的速度，一般會(huì)將機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)角度與距離設(shè)置到最小及最近[9]，通過(guò)這種設(shè)計(jì)方式能夠使得機(jī)械手在最快的時(shí)間內(nèi)完成取及換刀的過(guò)程，極大的節(jié)約了時(shí)間，進(jìn)而加快了換刀的速度。
因此在數(shù)控刀庫(kù)的設(shè)計(jì)中，可以增加相應(yīng)的智能控制系統(tǒng)，加入一個(gè)能夠進(jìn)行距離判斷的程序，并將刀具的編號(hào)按照擺放的順序嚴(yán)格錄入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)編號(hào)判斷刀具所需要的最小距離及旋轉(zhuǎn)角度，提前做出判斷，在對(duì)下一個(gè)刀具編號(hào)預(yù)判時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置順時(shí)針、或逆時(shí)針的方式，去控制下一個(gè)刀具編號(hào)類(lèi)型，從而實(shí)現(xiàn)智能化、全自動(dòng)的換刀過(guò)程。
7.3 、動(dòng)力系統(tǒng)的影響
動(dòng)力系統(tǒng)的不同，對(duì)于其能夠提供給機(jī)械手動(dòng)力的大小有直接的關(guān)系，而動(dòng)力的大小還會(huì)直接影響傳動(dòng)裝置的旋轉(zhuǎn)速度，換刀的過(guò)程是需要機(jī)械手機(jī)傳動(dòng)裝置共同作用才能完成的，所以想要提升換刀速度，就需要對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)做好相應(yīng)的控制，需要根據(jù)實(shí)際數(shù)控刀庫(kù)加工情況，選擇合適的型號(hào)的液壓缸或是電動(dòng)機(jī)，確保其能夠提供足夠的動(dòng)力，支持換刀過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。
8 、結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控刀庫(kù)技術(shù)被廣泛的應(yīng)用到零件的生產(chǎn)加工中，為了確保生產(chǎn)效率的提升，需要不斷的解決數(shù)控刀庫(kù)設(shè)計(jì)中精準(zhǔn)定位、轉(zhuǎn)速控制以及機(jī)械手加持力大小等問(wèn)題，從而使得換刀的速度不斷的加快，有效提升效率，促進(jìn)生產(chǎn)的全自動(dòng)化、智能化的進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。
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