数控机床刀具智能管理柜设计.pdf

造纸装备及材料 第 53 卷 总第 226 期 2024 年 1 月 装备及自动化39数控机床刀具智能管理柜设计*辛 鹏兰州职业技术学院，甘肃 兰州 730070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。与此同时，数控加工中由于刀具管理混乱而引起的刀具损耗、生产成本增加现象屡见不鲜。文章首先对数控机床进行了概述，然后对数控刀具进行了简单介绍，最后提出了数控机床刀具智能管理柜的设计方案，希望对数控机床加工行业减少刀具的损耗、降低生产成本、提高生产效益作出贡献。关键词：数控机床；刀具管理；智能管理柜分类号：TG659；TP183在制造业中，刀具是不可或缺的工具，它是制造车间进行日常生产的工具，刀具的使用和管理直接影响加工型企业的生产质量和效率1。然而，刀具的管理常常面临许多挑战，比如刀具的丢失、过期和维护等问题，为了解决这些问题，刀具智能管理柜的研发势在必行。刀具智能管理柜通过集成物联网技术和先进的管理系统，可以为企业提供全面的刀具管理解决方案。文章设计了基于物联网技术和计算机软件管理系统的刀具智能管理柜，希望能为数控机床刀具的管理带来便利。1 数控机床概述1.1 数控机床简介数控机床的发展水平不仅体现了一个国家现代制造业的发展水平，更是衡量一个国家发展水平的重要指标之一。虽然我国发展迅速，但在数控机床领域，我国与先进工业国家相比仍有差距，需要努力缩小差距。数控机床作为高端机床，是“大国重器”零部件的生产机器，更是智能装备发展的基础，必须大力发展数控机床。数控机床生产的产品广泛覆盖了半导体、新能源、汽车、电子、船舶、模具等关乎国计民生的重要行业。在航空航天领域，数控机床的发展也尤为重要。当前，国家越来越重视数控机床行业的发展，在中国高质量发展战略中，智能数控机床和基础制造装备行业被列为中国制造业的战略必争领域之一。在此基础上，随着装备制造业的迅速发展，中国在重型机床方面硕果累累，成功研制出了多个世界最大的数控机床，一件件“中国制造”走出国门。相信在中国高质量发展战略的指导下，中国数控机床行业能够更上一层楼，努力突破技术难题，推进高端数控机床产业的发展。1.2 数控机床的工作原理数控机床的工作原理可以简单概括如下：通过计算机控制系统，将加工程序转化为机床控制信号，控制机床在三维空间内进行各种运动和加工操作，从而实现对工件的加工。在数控机床的工作原理中，最为重要的部分是将工艺分析得到的工艺流程编写成数控系统能够识别的加工程序。数控系统既是把数控机床与普通机床区分开的重要标志，也是数控机床行业的发展重点2。1.3 数控机床的分类数控机床的规格多种多样，分类方式也各有不同，大致有以下几种分类方式。（1）按照工艺用途分类。按照工艺用途，数控机床可以分为金属切削类、金属成型类、特种加工类、测量绘图类。金属切削类指采用车、铣、铰、钻、磨、刨等各种切削工艺的数控机床；金属成型类指采用挤、冲、压、拉等成型工艺的数控机床；特种加工类主要有数控电火花线切割机、数控电火花成型机、数控火焰切割机、数控激光加工机等；测量绘图类主要有三坐测量仪、数控对刀仪、数控绘图仪等。（2）按照刀具运动方式分类。刀具的运动方式有三种：第一种，只看起点和终点，不规定过程；第二种，文章编号：2096-3092（2024）01-0039-03*基金项目：兰州职业技术学院 2023 年院级科研项目“基于物联网的数控刀具管理系统的研究与实践”（2023XY-38）作者简介：辛鹏，男，本科，讲师，研究方向为数控技术专业、智能制造、智能检测。装备及自动化 2024 年 第 1 期 总第 226 期 造纸装备及材料40规划路径和速度，通过某一个方向控制过程，但是只能按照既定路线运动；第三种，按照加工要求，通过两个及以上的方向控制刀具的运动路线，实时修正路径和进给速度。因此，按照刀具的运动方式，数控机床可以分为点位控制数控机床、点位直线控制数控机床、轮廓控制数控机床。点位控制只控制刀具或工作台从一点移至另一点的精准定位；点位直线控制在点位控制的基础上再通过控制一个坐标轴来按照设定的速度和轨迹控制刀具的运动；轮廓控制能够连续控制 2个或者 2 个以上运动坐标的位移和速度。（3）按照联动坐标轴数分类。数控机床控制的坐标轴主要有 X、Y、Z 三个直线坐标轴和围绕这些直线坐标轴旋转的旋转坐标轴 A、B、C。对于数控机床来说，联动轴数越多，自由度就越多，加工能力越强，可以加工的零件就越复杂。因此，为了满足更复杂的加工要求，随着数控机床的发展，联动轴数也在不断增多，目前，数控机床的联动轴数以五轴联动为主。理论情况下，五轴联动可以加工任意非闭合形状，但是因为刀具、刀柄以及夹具干涉问题，对于一些形状特殊的工件则需要特制刀具。2 数控刀具概述在现代制造业中，数控机床作为工业母机起着举足轻重的作用，数控刀具更是数控加工不可或缺的一部分。数控刀具是实现数控加工的关键技术之一3，可以用于加工各种材料的机床刀具，它可以通过计算机数控系统来实现工作程序的控制和执行。（1）数控刀具的作用。数控刀具的作用是可以提高加工效率和加工精度，达到精细化和高效化的生产要求。同时，它也可以根据需要变换不同形状的刀具，实现不同的加工方式。（2）数控刀具的种类。数控刀具种类繁多，根据加工方法不同，分类也不一样。常见的数控刀具如下：车削刀具，用于车床加工，可以完成凸面、凹面和平面的加工；铣削刀具，用于铣床加工，可以完成各种平面、曲面和棱面的加工；钻削刀具，用于钻床加工，可以钻出圆孔或特定形状孔；刀片，用于切割材料，常见的有刀片、锯片等；磨削刀具，用于磨床加工，可以加工出各种高精度零件。（3）数控刀具的应用领域。数控刀具广泛应用于制造业，包括航天、汽车、模具、机床等领域。它已经成为现代制造业的必需品，可以大幅提高生产效率和生产质量，减少了人工操作的误差。3 刀具管理的重要性数控刀具是机械加工的根本，刀具管理水平的好坏对提高刀具的应用起着至关重要的作用4。作为重要的实体经济行业，机械制造业必须重视刀具管理。机械制造类企业关注的重点往往在刀具管理上，因为由刀具管理而产生的成本控制与产品盈利将直接影响企业的整体效益和综合竞争力，所以如何提高刀具的经济效益，提高刀具的可靠性和维修性，减少故障，使企业获得更大的、稳定的盈利也是大部分机械制造类企业长期关注的内容。除此之外，刀具的管理还有以下重要性。（1）刀具管理可以延长设备的使用寿命。不同的刀具有不同的特性，包括材质、型号等，而刀具管理的一个很重要的任务就是帮助设备挑选出最合适的刀具。通过优化刀具管理，可以延长设备的使用寿命。（2）刀具管理是影响设备单位产量的直接因素。在刀具切削中，有一个参数为进给量。进给量的定义为每分钟工作台移动的距离。合适的刀具可以大幅提高这个参数，从而提高设备的单位产量，而选择合适的刀具也是刀具管理的重要环节。因此，只有做好刀具管理，才能提高设备单位的产量。（3）刀具管理可以帮助企业降低生产成本。刀具是易耗品，但并不是廉价的易耗品。通过刀具管理，减少刀具耗损，降低维修费用，很大程度上为企业节省了生产成本。总之，数控加工技术已成为现代主流的生产技术，数控刀具资源作为重要的制造资源之一，对其合理、高效的使用与管理很大程度上决定了产品生产质量以及企业经济效益5。4 数控机床刀具智能管理柜的设计方案笔者设计的刀具智能管理柜采用了最新的智能化技术，具有智能识别、自动管理、数据分析等功能。用户只需要通过智能终端或者 PC 端，即可实现对刀具智能管理柜的智能管理，包括刀具的入库、出库、库存管理、刀具磨损度检测等功能。通过智能化的管理，用户可以更加精准地控制数控刀具的使用，提高生产效率和产品质量。笔者在设计过程中充分考虑了用户的需求和使用习惯，不仅提供了智能化的管理系统，还在刀具柜的结构和材料方面进行了优化，确保了刀具柜的安全性和稳定性。此外，该刀具智能管理柜还具有环保、节能、造纸装备及材料 第 53 卷 总第 226 期 2024 年 1 月 装备及自动化41安全等特点，符合现代制造业对设备的要求。4.1 刀具智能管理柜的设计思路该刀具智能管理柜采用物联网控制，与计算机网络连接实现刀具的自动智能存取。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6。导轨和丝杠共同支撑抽屉，使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。刀具管理系统部署在设备云平台上，该系统由前端设备上的智能刀具柜软件和后端平台的刀具管理系统组成。前者提供人机交互操作界面，后者提供基础信息配置、刀具操作记录和统计报表等功能。用户通过互联网连接该平台，用户内部通过 Wi-Fi 网络连接刀具柜，实现刀具柜与平台的连通；用户通过电脑、大屏看板或移动装置访问刀具管理平台，处理相关信息。初次使用需初始化配置智能刀具柜，此时需要联网；配置完成后，可断网使用。需要自动统计数据时，需再次联网，实现设备数据与平台数据的同步。联网操作类似智能手机，长按网络标志，打开联网开关，找到合适的 Wi-Fi 网络，配置密码即可联网；也支持有线网络直接联网。刀具智能管理柜通过三种方式识别人员身份：人脸识别，给相关人员配置人脸照片以后，即可通过扫脸实现人员的身份认证；刷卡识别，即通用的 IC 卡；二维码识别，系统给每位员工生成一张专属二维码，打印贴在员工卡上，使用时扫该二维码即可识别身份。4.2 刀具智能管理柜的管理功能设计（1）对刀具的使用情况进行智能分析和预测。通过数据分析和算法模型，系统可以对刀具的使用情况进行统计和分析，提供详细的使用报告和建议。例如，系统可以分析刀具的使用频率和寿命，提醒企业管理者及时进行维护和更换，这样一来，企业可以合理规划刀具的使用和采购，降低了成本和风险。（2）实现刀具的自动借还和库存管理。在传统的刀具管理中，人工借还和盘点刀具是一项烦琐且容易出错的任务，而刀具智能柜可以通过扫码或刷卡等方式实现刀具的自动借还，大幅提高了工作效率和准确性，同时，系统会自动记录刀具的出借和归还情况，方便企业管理者进行库存管理和统计。5 刀具智能管理柜的应用成效（1）降低工作难度，提高工作效率。通过刀具智能管理柜的使用，库房省去了出入库单据的手工填写环节，对刀室省去了查图纸、手工填写对刀参数环节，磨刀室省去了查图纸确认刃磨参数等操作，大幅提高了刀具操作者的工作效率。（2）为维修和保养刀具提供便利。系统可以实时监测刀具的磨损情况，并提供维护和保养建议。刀具智能柜可以自动将已经过期或需要维修的刀具进行拦截，并提醒企业管理者及时进行处理，这样一来，不仅可以延长刀具的使用寿命，还可以减少因磨损或损坏而引起的工作中断和事故。6 结束语刀具智能管理柜通过集成物联网技术和先进的计算机软件管理系统，为企业管理者提供了全面的刀具管理解决方案，它能够实现刀具的实时监测和追踪，并为企业管理者提供详细的使用报告和建议。数控刀具智能管理柜的设计和应用，提高和延长了刀具的使用效率和寿命，降低了企业的生产成本和工作难度，为数控机床行业实现更加智能化和自动化的目标提供了有力的支持。同时，还可以为刀具柜产业带来新的商机和发展空间，促进刀具柜产业的转型升级和创新发展。参考文献1 沈玉玲.机械数控加工过程中刀具的合理使用与控制探讨J.造纸装备及材料,2023,52(1):105-107.2 刘欣.复合材料切削刀具智能管理系统的开发与应用D.大连:大连理工大学,2022.3 刘建春,刘子安,邹朝圣,等.面向MES的刀具智能调度系统研究J.机械设计与制造,2021(12):59-62.4 尹硕.变矩器生产线刀具智能管理系统与刀具状态监测技术的研究D.青岛:青岛理工大学,2021.5 刘献礼,李雪冰,丁明娜,等.面向智能制造的刀具全生命周期智能管控技术J.机械工程学报,2021,57(10):196-219.6 张素燕,刘争,张泽,等.数字化机加生产线刀具数据库的构建及应用J.工具技术,2021,55(1):45-49.