数控技术发展历程及应用：从刀库到机械臂

1.1 数控技术的发展历程

数控技术的诞生和发展经历了两个阶段，包括六个技术的更替迭代：第一阶段被称为数控时期，分为晶体管，电子管以及其他小型集成电路。从70年代开始，微机在 CNC系统中得到了大量的使用。到目前为止， CNC已经进入了第二个阶段，叫做cnc第四代系统。在1974年，微型处理器正式问世，并在 CNC体系中得到了普遍的使用，这是 CNC技术的第5代。通过十几年来的不断完善，数控技术在性能，安全性和可靠性方面都有了了很高的进步。自20世纪后期至今，在我国的 CNC制动化制造中，绝大多数要求使用的制动化系统都是第5代制动化系统。但是，与以往的 CNC技术相比，五代 CNC技术仍然被视为一个特别的封闭式体系。第六代、开放性 CNC软件将是今后 CNC软件开发的主要方向，对现代制造行业的发展具有重大意义。

1.2 核心组成部件

加工中心主要是由两大部件组成的，即：全自动 CNC镗铣车机床的高速加工，以及全自动快速换刀等。再换刀方面和刀库装置应当要达到如下的要求：更换刀具后，刀具操作快，刀具定位精度高，刀具识别正确，安装选择相对可靠，刀具更换设备维护方便，刀具库设备容量合理，占地面积较小。此外，更换刀具也可以与刀具主机相配合，便于日常工具装卸、调整和维护。

自动换刀机械手的装置都包含：刀库、换刀设备、刀具驱动设备、刀具编码设备和刀具识别设备这些部件。

1.2.1 刀库

刀库是刀具自动化更换的一个关键环节。按其构造及外形，可将刀具库划分为六大类：

碟形刀具
轴向式刀具（刀具刃中心线与刀具刃的中心线相垂直）
径向型刀具（刀具的轴心与刀具的轴心正交）
多个圆盘型刀具（多个圆盘型刀具位于转动轴线上）
刀架型刀具储藏室（可分卧式和卧式）
转盘刀具

通常情况下，在切削时，都会按照工件的切削需要，来决定刀具的储备量。通过对实际生产中，车床、铣床、钻机等机床所需要的工具量进行了统计，结果表明，在其加工过程中，所需要的工具并不多。所以，从用途的观点来看，通常将刀具仓库的储存能力划分为20到40把刀具，超过60把刀具，于60把刀具以下三种使用规模。

1.2.2 换刀设备（机器臂）

机械臂的功能是使控制在机床的住轴上的刀具与刀具库里的工具进行互换。一个操作循环为：抽出刀具，更换一次新老的刀具，载入刀具。尽管当前应用于换刀的机械臂种类繁多，但按照其换刀方式的差异，我们基本上可以把它分为两类。

不使用自动换刀机械手的刀具是高速自动切换：通过机床的传动主轴和机床倒库的快速相对运动来实现的。在这种型号的装置中，工具库通常是固定在桌子上的栅栏式工具库。当被需要更换新的刀具时，沿着主轴方向移动的一个工作箱放置，并从新刀具库中取出新刀具，进行更换。此外，工作台上设有大型刀具存放库，这减少了整个工作台的整体空间使用。

自动换刀机械手进行更换刀具：一种依赖自动换刀机器手臂的换刀辅助装置，包括单臂旋转单臂移动机械手、螺旋双臂旋转双臂移动机械手、双臂旋转单臂移动机械手和多臂移动单臂机械手。特别是在使用新型双臂切削机械手和新型改进刀具时，具有更换刀具周期短、动作灵活可靠等优点，广泛应用。双臂机器人最常用和最常用的机械结构是钩、握、伸和叉。双臂抓取机器手刀库代替工具刀库循环的基本操作步骤是用：双手抓取新旧的刀具（在此过程中，需要利用自动换刀机械手的伸缩抓握功能，同时抓取圆盘刀库里的刀具的主轴上所插入的旧刀具）。更换旧的刀具（自动换刀机械手旋转半圈使得新刀具和旧刀具更换位置）装载两侧的刀具（在此期间，机械手的卡爪放松，将的新刀具直接插入主轴，并将旧的刀具放置在圆盘刀库中）。然后，自动换刀机械手的手臂回缩。

1.2.3 刀具传动装置

因此，如果刀具仓库的空间较大，又与机床有一定的距离，则必须在里面放置两台机器人，才能实现刀库与新老刀具之间的交换。一只靠近刀具仓库，被称为后机器人，它负责拔出旧刀具，并将其插入新刀具。另外一个在主轴附近，称为前机器人，负责拔出和插进旧刀具。在前后操作臂间设有一运刀装置。该方法的优点在于：一是通过前端机械臂将旧刀从刀架上拔下，然后再将其送到刀架上，从而实现了后端机械臂对旧刀的拔出，再将旧刀直接插进刀架中的目的。同时，为了使前面的机械手可以抽出新的工具，使后面的机械手可以抽出新的工具，然后把新的工具放入到主轴上。

1.2.4 刀具编码装置

对不同的零件选刀进行切削加工时，要从一个大型的刀库中，从所用的不同的工具中，自动地选取一刀，这个选择方法又被称作'自动择择选刀'，其原因在于有两种：一种是选刀方式是顺序方式选择，另一种选刀方式是零件编码顺序选择。

1.2.5 辨别工具的设备

数控切削过程中，数控切削工具的辨识是数控切削过程中的一个关键环节。常用的工具标识设备有如下类型：

刀具预先设定设备：每个刀具的编号和尺寸等参数信息被预先设定在 CNC的控制系统中，在进行数控加工的时候，该系统可以按照从加工程序中调用的刀具编号，对刀具进行自动的辨识和选取。
光电型工具探测设备：使用了一个光电传感器或者是一个激光传感器来探测工具的头部的形状和长度，在 CNC的控制系统中可以预先设定每个工具的形状和长度，如果探测到了满足要求的工具，那么该系统就可以对其进行自动辨识，并进行选取。
磁码型工具辨识器：利用各把手上的磁码条，对各种工具进行辨识。在数控系统中，每个磁码条都有一个数字，通过数字信号处理，将磁码条的数据输入到数控系统中，使该系统可以根据磁码条的数据进行识别和选取。

上面是一些常用的数控工具辨识设备。为保证切削的安全性与可靠性，必须选用合适的工具，并对其进行校正与试验。

1.3 机械臂在产品加工过程中的角色

机械臂在工程及自动设备上的使用，在整体工程机械制造业中，其优势在于：

1.3.1 生产效率的提高

在这种自动化的装置中，机器手能够迅速地进行所需要加工的材料的传递，对所需要的零件进行安装和拆除，对刀具等加工机械和设备进行安全地进行替换，并能够顺利地进行零件组装，从而极大地提升了机械设备的加工自动化程度。这样可以节省人员费用，有效地防止制造成本的浪费。

1.3.2. 安全性与有效性

机床加工作业中，极易出现高温高压、低温低压等苛刻工作条件，并伴有多种有害气体，对作业人员造成不同程度的人身损害。如果不能直接使用手动操控，那么在这时机器手就能发挥出最大的作用。采用机器手可以极大地提高工作效率。此外，当机器装备所处的环境较为复杂时，人为作业会造成多种危害，机器人可以替代人为作业，从而减少作业中的安全事故。

1.4 刀具库所采用的驱动和定位

刀具库所采用的转动方式可具体分为电机转动与液压转动两种。不同的是，电动刀具的转动并不限于采用半闭环控制，而是采用了操作系统发出的指令。相较于液压驱动而言，它仍需电信号的配合，通常采用的是螺线管来完成前端的控制。在切削时，主轴与刀库二者的精确定位，这是使机械臂能够精确地握住并进行切换的保证。如若采用电机转动，可以在电机上安装一个传感器辅助完成定位，也可以在夹紧装置附近安装一个传感器器完成定位，一般都是机电相结合的。其他几种方式都可以达到对刀具进行精确定位的要求。

1.5 CNC技术的发展动向

在全球范围内，数控系统的发展趋势通常在，高速、高精度、高可靠性、多功能性、智能化、集成化、开放性、网络共享以及通用数控系统等多方面高速发展。

对以上内容进行归纳总结，并谈谈对未来的看法

总的来说，数控技术的发展历程经历了两个阶段，包括六个技术的更替迭代。核心组成部件包括刀库、换刀设备、刀具传动装置、刀具编码装置和辨别工具的设备。机械臂在产品加工过程中的角色主要体现在生产效率的提高、安全性与有效性方面。刀具库所采用的驱动和定位方式有多种选择，电机转动和液压转动是主要的两种方式。CNC技术的发展趋势主要体现在高速、高精度、高可靠性、多功能性、智能化、集成化、开放性、网络共享以及通用数控系统等多方面高速发展。

未来，随着科技的不断进步和制造业的不断发展，数控技术将会在更多的领域得到应用和推广。同时，随着人工智能、物联网、大数据等技术的发展，数控技术也将会越来越智能化和自动化。在未来的发展中，数控技术将会更加注重节能环保、智能化、安全性和可靠性等方面的提升，同时也将会更加注重人机交互的体验和人性化的设计。总体来说，未来数控技术将会更加智能、高效、安全和可靠，为制造业的发展做出更大的贡献。