数控机床刀具柜智能化管理创新设计

/摘 要：/

随着数控加工技术的不断发展，数控刀具以其高效、精密、高速、耐磨的良好综合性能取代了传统刀具，而数控刀具材料的不断开发，必将带来刀具成本价格的上升。鉴于此，针对目前数控加工中由刀具管理混乱引起的刀具损耗、生产成本增加等现象，创新设计了智能化管理刀具柜，在物联网控制下实现一机多控，有效减少了刀具的损耗，降低了生产成本，提高了生产效益。

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引言

马克思曾经说过：“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产。”制造技术和装备就是人类生产活动最基本的生产资料，而数控技术是当今先进制造技术和装备最核心的技术[1]。随着数控加工对象精度要求提高，为适应多品种柔性化生产，数控加工也对刀具提出了更高的要求。在机床、刀具、夹具和工件组成的工艺系统中，刀具是最活跃的因素，刀具对数控加工技术的发展起着决定性作用。随着工业技术的智能化发展，刀具的材料研发也发生了前所未有的变革，这必将带来刀具成本价格的上升。传统刀具存储方式存在诸多弊端，必然对刀具使用寿命产生影响，从而增加企业生产成本，数控机床刀具管理的创新设计可使刀具的存放更加便捷，大幅降低生产成本，提升生产效益。

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数控刀具介绍

数控刀具作为数控机床和加工中心用刀具，是数控工艺系统中最重要的组成部分[2]。刀具技术的更新代表着数控加工的高质量发展。数控刀具在国外发展较快，品种多，已形成系列[3]。而我国对数控刀具的研究开发起步较晚，数控刀具成了工具行业较薄弱的一环。随着近年来机械制造水平的不断发展，对于产品的高质量要求推动了数控刀具不断优化以适应加工。在实际数控加工过程中，由于加工对象形状复杂，加工精度要求较高，结合对加工对象的适应性要求，所需要的数控刀具种类、数量增多，调用频繁，刀具的管理变得更加复杂。为满足生产需求，能否有效管理刀具成为影响企业制造成本的重要因素之一。然而，目前大多数企业缺少对刀具的有效管理，而且随着机械加工生产车间的信息化建设，刀具低效、混乱的管理方式越来越难以适应企业信息化车间的高效运行[4]。

因此，设计可靠的刀具智能化管理系统不仅成为机械加工车间高效运行的必然要求，而且具有促进刀具管理规范化、提升效率、降低生产成本等应用价值。

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传统刀具管理现状

传统刀具管理系统采用专门的刀具管理人员手工存取模式，这种模式在一些规模较大的企业弊端尤为明显。机械制造行业尤其是数控加工领域，同一批零件加工过程中需配备很多种类、型号各异的刀具，在更换的刀具存取过程中，库管人员需要通过查找先将旧刀具入库放到刀具存储柜中，然后按照新刀具型号查找新刀具存放的位置，再外借并登记出库。如果需要的刀具数量较大，则这种存取方式效率低下，极易出错；而采用智能化管理刀具柜，能科学有效地对刀具进行存取，效率高，省时省力。

近几年来，我国制造业的信息化发展步伐不断向前迈进，但国内企业大多致力于多轴机床的研究与开发，对于一般数控机床的刀具的存储研究开发甚少[5]。因此，本课题针对中小型企业及高校数控加工实训中心设计了一种便于存储，同时能够避免刀具损坏，实现刀具统一管理的刀具管理系统。

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智能刀具管理系统设计思路

本设计是一种数控机床智能刀具柜（图1），采用物联网控制，与计算机网络连接实现刀具自动智能存取。在刀具柜底部加装了传感器，当刀具放入抽屉内部时，传感器受到重力作用按压开始反射信号，物联网模块接收到信号，并将信号反馈到计算机软件中进行计数。智能刀具柜抽屉底部加装的传感器，通过自动计数装置直观地反馈库存刀具数量，减少了库管人员清点的工作量，提升了工作效率。

导轨和丝杠共同支撑抽屉，使得抽屉的伸缩更为平稳。通过传感器的设置，用户能够方便地获知抽屉内刀具的数量和存储状态。通过计算机控制，柜体内部的物联网模块与电气模块中的单片机连接并控制单片机，单片机与电子开关相连接，电子开关控制柜体中抽屉底部电机的启停和驱动方向，电机与丝杠相连接，抽屉底部加装了行程开关、限位块和导轨，通过电机、丝杠和丝杠螺母的设置，开启电机带动丝杠转动，丝杠螺母带动抽屉位移，实现储存刀具的抽屉开合，进而完成刀具的取放，代替了现有技术中的刀具架。另外，还可以基于行程开关与限位块1或限位块2的接触状态控制电机的停机。

通过柜体和抽屉的设置，借助电机控制抽屉的开合，能够对刀具进行统一的封闭保存，对刀具进行统一管理，便于快速找寻到刀具，同时也避免了刀具的遗失（图2）。另外，柜体内设置储物格，能够对刀具分别进行存储，避免刀具因发生碰撞而损坏。

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创新点与特色

（1）功能创新：数控机床刀具管理的创新设计方便了刀具存储，物联网模块与计算机通过网络连接，一台计算机可控制多个刀具柜。抽屉底部加装了传感器，对存放刀具进行计数，便捷安全。

（2）控制创新：采用计算机软件控制，安装完刀具柜后，在计算机中安装专门的刀具管理软件即可控制系统自动完成刀具调取。

（3）降低成本创新：相较于传统刀具柜抽屉，本项目在刀具柜抽屉内部加装了挡板，挡板上与刀具直径大小相同的圆形孔均匀分布，刀具可直接安放在圆形孔内，避免刀具柜发生晃动而引起刀具之间的碰撞，导致贵重刀具损坏，造成不必要的经济损失。

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结语

在目前整个机械加工制造行业，我国中小型企业占比超过了70%[4]，基于此，中小型企业对于数控刀具智能化管理的需求是否能够得到满足，成为影响我国制造业发展趋势的重要因素之一。本文所述数控机床刀具柜智能化管理创新设计，在保证了具备传统刀具柜功能的前提之下，增加了智能模式，在物联网控制的大环境下实现了一机多控，而且可根据企业加工实际需求进行刀具管理，调节存放刀具的类型，大大缩短了管理人员存取刀具的时间，降低了管理人员的工作强度，提高了生产效率，减少了企业生产成本。