一种面向智能工厂的数控刀具室设计

李跃军

广州广铁科技有限公司 广州 511400

数控刀具是数控机床切削加工中最重要的消耗性配置资源，数控刀具的智能化管理是智能化数控加工中的一个重要环节，它关系到工厂智能化程度以及生产成本控制水平的高低。当前，我国的数控机床应用水平有了大幅提升，柔性化数控制造中心大量建立。同时，在数控刀具管理方面，大部分企业还停留在传统库房管理的模式，因此建设一个面向智能工厂的智能化数控加工车间刀具管理室就显得十分必要。

现状与发展

目前大多数的数控加工车间的刀具管理，还是采用传统的工具库房管理方式，即数控机床操作员按照车间计划员的工艺卡或刀具卡到刀具库房进行领取刀柄、刀具以及刀片，由仓库管理员进行手工台账的记录和领刀员领料签字，然后到对刀仪上进行刀具测量，对刀数据通过手写在纸条或标签上，最后将装调好的整套刀具安装到数控机床的主轴上和刀库中。其中的管理方式主要采用台账薄人员手工登记，刀具数据通常是操作员临时手工记录输入机床。这种传统的刀具管理方式已经不能适应智能制造的信息化和自动化要求。

智能制造工厂要有一套强大的ERP平台，通常选择SAP等企业信息化管理软件，其中智能刀具管理系统可选择TDM等专业刀具数据管理软件，同时利用智能化设备进行刀具的智能化领用、刀具参数读取存储，智能化刀具管理系统的总体架构模型一般由设备层、数据层、管理层三大模块组成。设备层主要包括智能刀具柜、自动AGV、刀具RFID等智能设备，数据层主要包括刀具库存信息、刀具装调参数、刀具切削参数、加工工艺卡和刀具自动配送，管理层主要由ERP平台或TDM软件负责整个数控刀具系统的管理。智能化刀具管理系统的总体架构模型如图1所示。

图1 智能刀具管理总体架构

基于智能制造环境下的智能化刀具配送管理模块，应该由智能化选刀、智能化调刀、智能化送刀和智能化还刀等环节组成。其工作流程主要由ERP中央控制平台根据工艺流程卡内容向TDM刀具管理系统发出工序所需刀具清单，或者由任意一台数控机床工位所发出来的调刀或还刀呼叫信号，刀具管理系统将根据刀具需求信息向刀具室或其他仓库管理单位的智能设备发出刀具调拨信息后，智能化刀具柜将自动调出所需刀具，然后由刀具管理员或机械手装运到AGV刀具运送车自动配送至指定需求工位，从而实现刀具管理的智能化。

主要关键设施

面向智能工厂的数控刀具室，可以在智能工厂新建规划时就考虑进去，也可以在现有数控机械加工车间中利用空余位置进行专区围档改造。不论是厂房新建还是在旧厂房改建，数控刀具室通常都是一样的布置和功能，主要是实现数控刀具的智能化管理和自动化配送。

数控刀具管理配送室的基础建设可以采用铝型材和亚克力进行围档，或者采用封闭式隔断空间（玻璃房），内部高度约2.8m，室内地面做环氧树脂地坪漆。其中刀具室的面积大小，可以根据本机加车间的数控机床台数和刀具配置情况进行计算，本文所设计的一种刀具管理室布置如图2所示。

图2 数控刀具室布置设计图

数控刀具室内的主要设备由智能刀具柜、刀柄刀具柜（存放组装好的成套刀具）、刀具调整操作员工作台、AGV自动刀具搬运车、手推刀具搬运车、对刀仪、固定式钢质工作台及超声波刀具清洗机等组成。

1.智能刀具柜

智能刀具柜如图3所示，主要用于清晰地存放 CNC刀具（刀片、钻头、铣刀、丝锥等消耗类刀具）。通过智能柜系统实现刀具的自动化存取和管理。

图3 智能刀具柜

管理软件一般采用刷卡或指纹的登录控制方式，抽屉数量至少要达到10层，具备5S整理功能；每层抽屉配备可调节的分隔片以存放大小不同的刀具；该智能刀具柜的管理软件必须具备可扩展连接ERP软件的开放功能。智能刀具柜的软件界面如图4所示。

图4 智能刀具柜软件界面

智能刀具柜主要功能如下：

（1）自动领刀操作 自动领刀开柜，员工刷卡登录后，输入工艺卡上需要领取刀具的型号或名称，即可领用相应刀具，输入相应数量后，智能刀具柜即可自动打开相应的抽屉进行取料，同时自动生成领用记录，并更新实时库存数据。

（2）批量领刀 批量操作领刀时，智能依次输入刀具型号、数量等，进入待领清单，可一次性将待领清单内所有抽屉全部打开，方便快速领刀，降低开关抽屉频次，提高自动抽屉的使用寿命。

（3）安全库存提醒 可设定各刀具型号和品种的最低安全库存量，低于设定之最低安全库存量时，管理系统的软件界面和系统设置邮箱会进行显示提醒，提醒管理员进行补货。

（4）库存数据查询 可通过Web客户端实时库存查询和记录查询，方便远程查看刀具实时在线库存情况和统计报表等,可查看如下统计报表：记录查询表，领料补货汇总表、库存信息表、成本汇总表等。

（5）刀具出入库管理 领料时支持多种领料模式：常规领料，按物料编号、按刷条码、按工单、产品领料等。

（6）系统后台设置 首先要设置操作员和管理员帐户及密码，再进行刀具物料数据录入，支持自动导入物料信息表格，建立刀具基础数据库和刀具入库数据表。

（7）支持柜体扩展功能 根据用户需求增加相应辅柜以增加刀具存储容量。在后台对柜体抽屉内的分格进行编号，并在刀具数据库选取存储刀具进行关联，即可建立入库单投入使用。

（8）智能刀具柜的软件开放数据中间表 便于开放接口外接ERP、MES等软件系统，可根据用户的界面需求开发。

2.RFID刀具电子标签

利用RFID（射频识别技术）标签嵌入刀柄金属体内如图5所示，实现单支刀柄刀具的自动识别跟踪、刀具数据存储和刀具全生命周期管理。

图5 刀柄电子标签

由于数控刀具的使用环境为高转速和切削液与碎铁屑环绕，所以刀具电子标签需要选用抗干扰能力强、防油污和高寿命的RFID元器件，它能够及时准确地采集各种智能设备（如数控机床和对刀仪）上所使用刀具信息和刀具数据（如刀具编号和刀具工艺参数），并且能迅速地在主机与主机之间进行数据交换，摆脱了传统的对刀参数手抄情况。需要注意的是，由于电子标签镶嵌操作会破坏数控刀柄原先的动平衡，因此完成电子标签嵌入作业后需要重新对刀柄进行动平衡处理。

3.AGV刀具自动运送车

选用外形尺寸小、结构紧凑、行走灵活的AGV小车搭载定制刀柄架如图6所示，实现刀具架上加载刀具物料配送的自动化。

图6 AGV刀具车

AGV刀具自动运送车采用智能化的激光导航系统，可双向前后进行行驶与原地90°旋转，通过无线中央控制站与AGV、充电站、机床工位呼叫站、刀具室之间实现数据传输和控制调度，可根据客户需求增加与数控机床机械手的联动生产管理，同时可支持各种工控协议实现与ERP、MES、WMS等系统联接，实现全自动、无人化的刀具配送。

结语

数控机床已经成为机械加工车间的主流智能设备，通常一台数控机床需配备几十把数控刀具。这样，一个普通的数控车间刀具配备数量就多达上千把，而当前大多数的数控加工企业仍然常用手工台帐和纸质条码等传统方式来管理刀具，在智能制造的大趋势下，数控刀具的智能化管理必将成为智能制造系统升级中的一个重要分支方向。本文通过对面向智能化工厂的数控刀具配送室的总体架构和主要设施进行了分析，并对其中关键的智能设备的结构、性能要求和主要参数进行了介绍，对智能化机加工车间的数控刀具室建设和改造具有一定的借鉴意义。