第五章刀具储运及管理系统.

第五章刀具储运及管理系统第一节数控刀具及工具系统第二节刀具准备与储运系统第三节刀具储存策略第四节刀具管理系统第一节数控刀具及工具系统一、对数控刀具的要求及典型数控刀具以数控机床为主的柔性加工设备对刀具的要求：（1）刀具切削性能应稳定可靠，避免刀具过早损坏，而造成频繁停机。（2）刀具应有较高的寿命。保证可靠地断、排屑。（3）能快速换刀或自动换刀。（4）能迅速、精确调整刀具尺寸。（5）必须从数控加工特点出发制定数控刀具的标准化、系列化和通用化结构体系。（6）有完整的刀具组装、预调、编码标识与识别体系。刀具组件在数控机床和加工中心广泛使用模块化结构的组合刀具。刀具组件：刀柄、刀夹、刀杆、刀片、紧固件等这些组件是标准件。例如刀片有各种形式的不重磨刀片。组合刀具可以提高刀具的柔性，减少刀具组件的数量，充分发挥刀柄、刀夹、刀杆等标准件的作用、降低刀具费用。在一批新的工件加工之前，按照刀具清单组装出一批刀具，刀具组装工作通常由人工进行。整体刀具也有使用，一般是特殊刀具。整体刀具磨损后需要重磨。图可转位车刀刀片与夹固元件（一）车削类数控工具系统二、数控刀具的工具系统图5-11CZG车削类数控工具系统a）非动力刀夹组合形式b）动力刀夹组合形式这类工具系统的柄部与夹持刀具的工作部分连成一体，不同品种和规格的工作部分都必须带有与机床主轴联接的柄部。编号含义见教材p216、p218。（二）镗削类数控工具系统1.整体式镗铣类工具系统（TSG）2.模块式镗铣类工具系统（TMG）把工具系统的柄部和工作部分分开，制成主柄模块、中间模块和工作模块三大系列化模块。编号含义见教材p219。如图5-14如图5-15图5-14TSG82工具系统图图5-15TMG21模块式镗铣类工具系统图5-18在高速运转中离心力使主轴锥孔扩张3.高速铣削用工具系统可靠定位提高联接刚度、精度和动平衡。如图5-19图5-19HSK刀柄与主轴联接结构与工作原理为了减少换刀时间，数控机床一般都使用可转位刀具。中等精度刀片适用于粗加工，精密级刀片适用于半精加工。在精加工时仍需尺寸调整。(一）刀具快换或自动更换1.刀片转位或自动更换三、刀具快速、自动更换和尺寸预调图5-1更换刀头模块生产中正在推广使用模块式车削类工具系统。图5-1所示。径向和轴向精度分别为2微米和5微米，自动换刀时间为2秒。2.更换刀头模块图5-2更换刀夹3.更换刀夹如图5-2所示。刀具和刀夹一起从数控车床上取下。刀片转位或更换后，在调刀仪上进行调刀。刀片和刀杆精度要求不高，但刀夹精度要求高。图5-3手动更换刀柄4.手动更换刀柄图5-4转台刀具自动换刀5自动换刀图5-5利用刀库和机床运动自动换刀图5-6利用刀库和机械手自动换刀刀具的轴向和径向尺寸的调整方法可根据刀具结构及其所配制工具系统，可采用多种方法预调，见表5-1。（二）数控刀具尺寸预调1.数控刀具尺寸的预调方法表5-1常用刀具尺寸调整结构和方法刀具尺寸调整方法轴向位置用调节螺母用调节螺钉径向位置倾斜微调径向调整螺杆滑块式径向和轴向均可调整图5-7光学测量立式多工位刀具预调仪2.数控刀具尺寸预调仪刀具预调仪(又称对刀仪)是刀具系统的重要设备之一，其基本组成如图3-25所示。尽量采用计算机管理的预调仪，以便自动进行修正，提高效率。数控刀具尺寸预调包括：轴向和径向尺寸、角度调整和测量。图5-8刀具预调仪的测量、控制功能模块图测量头测量头有接触式测量头和非接触式测头。接触式测量用百分表(或扭簧仪)直接测出刀齿的最高点和最外点，测量精度可达0.002~0.01mm。测量比较直观，但容易损伤表头和刀刃。非接触式测量用得较多的是投影光屏，投影物镜放大倍数有8、10、15和30倍等。测量精度受光屏的质量、测量技巧、视觉误差等因素的影响，其测量精度在0.005mm左右。这种测量不太直观，但可以综合检查刀刃质量。Z、X轴测量机构通过Z、X两个坐标轴的移动，带动测量头测得z和x轴尺寸，即刀具的轴向尺寸和径向尺寸。两轴使用的实测元件有许多种，机械式的有游标刻线尺，精密丝杆和刻线尺加读数头；电测式有光栅数显、感应同步器数显和磁尺数显等。测量数据处理对刀具进行编码，以便自动识别刀具。刀具的编码方法有很多种，如机械编码、磁性编码、条形码和新发展的磁性芯片。其计算机及附属装置可存储、输出和打印刀具预调数据，并与上一级计算机(刀具管理工作站、单元控制器)联网联接。第二节刀具准备与储运系统刀具准备与储运系统由下列部分组成：刀具组装台、刀具预调仪、中央刀库、机床刀库、刀具进出站输送装置和刀具交换机构、刀具计算机管理系统等组成。图3-24是刀具储运系统的示意图。一、刀具准备与储运系统的组成二、刀具预调组装好一把完整的刀具后，上刀具预调仪按刀具清单进行调整，使其几何参数与名义值一致，并测量刀具补偿值。如刀具长度、刀具直径、刀尖半径等，测量结果记录在刀具调整卡上．随刀具送到机床操作者手中，以便将刀具补偿值送入数控装置。在FMS系统中，如果对刀具实行计算机集中管理和调度，要对刀具进行编码，测量结果可以自动录入刀具管理计算机，刀具和刀具数据按调度指令同时输送到指定机床。三、刀具进出站刀具经预调、编码后－→刀具进出站－→入中央刀库。磨损、破损的刀具或在一定生产周期内不使用的刀具，从中央刀库取出，送回进出站。四、中央刀库中央刀库用于存储加工工件所需的各种刀具及备用刀具。中央刀库通过刀具自动输送装置与机床刀库连接起来，构成自动刀具供给系统。中央刀库容量对系统的柔性有很大影响。尤其是混流加工(同时加工多种工件)和有相互替代的机床的中央刀库不但为各机床提供后续零件加工刀具，而且周转和协调各机床刀库的刀具，提高刀具的利用率。中央刀库是自动化制造系统内刀具的存放地点，是独立于机床的公用刀库。中央刀库的刀位数设定，应综合考虑系统中各机床刀库容量、采用混合工件加工时所需的刀具最大数量、为易损刀具准备的备用刀具数量以及工件的调度策略等多种因家。如系统加工中心自身刀库容量大，也可以不设中央刀库。中央刀库的安放位置便于换刀机器人在刀具进出站、中央刀库和机床刀库之间传送和抓放。中央刀库的结构形式有多种：有的安装在地面上，有的架设在空中(节省厂房面积)；刀具在存储架上的安放有：水平、直立和倾斜等方式。图3-26（见教材）所示为一中央刀库，标准化的刀具存储架在地面上一字排开，供机器人移动的导轨与存储架平行。刀具在存储架上水平放置，如图3-27所示。由刀托的中间格进行铀向和径向定位，周向定位靠一个定位销。五、机床刀库及换刀机械手机床刀库有固定式和可换式。固定式刀库不能从机床上移开，库中的刀库容量较大(40把以上)。可换式刀库可以从机床上移开，刀库容量一般比固定式刀库要小。六、刀具输送装置和交换机构刀具输送装置和交换机构的任务是为各种机床刀库及时提供所需要的刀具，将磨损、破损的刀具送出系统。机床刀库与中央刀库，机床刀库与其他机床刀库，中央刀库与刀具进出站之间要进行刀具交换，需要相应的刀具输送装置和刀具交换机构。刀具的自动输送装置主要有：①带有刀具托架的有轨小车或无轨小车；②高架有轨小车；③刀具搬运机器人等类型。第三节刀具储存策略一种是只在机床上配置一定容量的刀库，这种配置形式的缺点是每台机床的刀库存刀容量有限，当自动化制造系统加工的工件种类增加时，加工机床经常不得不停下来更换刀具，因而不能有效并长时间地连续生产。另一种形式是除了机床刀库外设置独立的中央刀库，采用换刀机器人或刀具输送系统。中央刀库容量可以增大。不同的机床，可以共享中央刀库的资源，以保证加工机床连续加工，提高了系统的柔性程度。不论采用哪种形式，刀库中除了配置至少一把各种所需刀具外，还要考虑为了保证连续加工所需的替换刀具。这就存在刀具储存策略问题。为了不失一般性，下面以三台相同加工中心组成的柔性制造单元为例，分析四种不同的刀具储存策略。这三台加工中心由—台AGV完成刀具的输送。假设每台加工中心有一个固定式刀库，容量为6把刀具。在这种刀具储存策略下。不论加工任务在三台机床上如何分配。在这个加工单元1：完成的加工任务所需的刀具在三台机床上均拥有。它的优缺点如下。1.刀具储存策略1每台机床的刀库装有6把不同的刀具(图5—4)，分别以t1，t2，…，t6表示。优点：1)有备用刀具组(其它机床上有相同的刀具组，可作为备用)。2)有备用机床(某机床发生故障时，它的任务可直接由其它机床承担)。3)刀具传送系统简单(无中央刀库，只需将刀具输送并装入机床刀库即可)。缺点：1)需要有一组以上的相同刀具，刀具需求量大。2)NC程序存储在每台机床中，占用存储单元多。3)要求机床刀库的容量大。2.刀具储存策略2如图5-5所示，每台机床装有两把不同类型的刀具。此外，这些刀具每一把都要有一把备用刀具。在这种策略下，各台机床上的刀具是按加工任务分配情况配置的，备用刀具在同一台机床上。优缺点：1)有备用刀具。2)没有备用机床。3.刀具储存策略3每台机床的刀库如图5-6所示，即每台机床刀库中只装两把不同的刀具，所有备用刀具与一些别的刀具储存在刀具储存和输送系统中。优点：1)有备用刀具组。2)每个NC程序只储存在一台机床中。3)对机床刀具库容量的要求低。4)更换机床刀库中的刀具就可形成备用机床。缺点：需要有较复杂的刀具储存和管理系统。第四节刀具管理系统一、刀具管理系统的功能构成刀具管理系统的功能可分为四个部分，如图5-9所示。二、刀具管理系统功能（软件构成）刀具管理系统软件构成如图5-10。（一）刀具信息管理1.刀具信息主要有以下几类：（1）刀具编码信息包括刀具分类编码、刀具组件编码、在线刀具编码等。（2）刀具基本属性包括几何参数(例如铣刀的长度、直径)、刀具耐用度、刀具材料等。（3）刀具组件结构参数包括刀柄、刀杆、附件三部份及其组装成的刀具组件的结构描述。（4）刀具切削参数包括刀具进给量、切削速度等。（5）刀具补偿信息直径补偿等。（6）刀具实时位置信息它描述每一把在线刀具当前所处的位置。（接下页）（7）刀具实时状态信息包括累计使用时间、磨损状态、破损状态等。2.刀具信息管理功能(1)刀具数据库维护(2)刀具初始化(3)刀具预调数据采集与处理(4)统计、查询、报表生成可根据需要作各种统计、查询、刀具交换次数、各机床刀库配置等。（二）刀具计划管理刀具需求计划；刀具采购计划；刀具准备计划；刀具下线计划。（三）在线刀具静态管理1.刀具进出线管理根据刀具准备(上线)计划和刀具下线计划，控制刀具的进线与出线，包括进出站的控制、刀具识别等，并将因进出线引起的刀具信息的变化，记录到刀具数据库。2.机床刀库配置根据机床加工作业计划，对机床刀库配置作出决策。一般可认为所需刀具数量大于机床刀库容量的问题在生产调度决策时已通过分解加工任务得到解决。这里需解决的问题是，当刀库容量大于所得刀具情况下，保留机床刀库中哪些刀具能使换刀次数最少(考虑后继加工)。3.刀具状态管理对中央刀库、机床刀库及刀具交换进行管理控制，并对计算机内记录的“刀具实时状态表、机床及工件实时状态表”进行维护，保证其与系统的实际状态相一致.4.刀具寿命管理接收机床发送来的刀具使用时间累计数据，修改刀具数据库中的刀具寿命值，当到达寿命极限时报警。同时具有刀具剩余寿命统计等功能。注意，这里的寿命是指刀具两次刃磨之间可正常使用的时间。（四）在线刀具动态管理1.刀具实时调度在加工作业计划中插入临时性作业时，要求同时提出加工该零件所需的刀具，完成加工过程中刀具信息的功能处理。2.刀具实时监控主要有刀具被损监控、磨损监控和刀具寿命监控。刀具使用时间累计的功能，并作为刀具数据记录中的一项。3.紧急情况处理保证机床在出现刀具破损等突发事件时，能最快地恢复正常加工。习题1.数控机床对刀具有何要求？实现刀具的快速更换有哪些方式？2.工具系统的作用是什么？3.FMS的刀具准备工作内容。4.刀具储运系统的组成，各部分的作用？5.刀具储存策略。6.FMS中刀具管理系统软件的构成及信息流分析。本章结束