GLS桁架自動(dòng)化加工單元的結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用

王力斌

【摘要】本文主要介紹了桁架自動(dòng)化加工單元的總體布局、主要結(jié)構(gòu)參數(shù)、旋轉(zhuǎn)料庫模塊、機(jī)械手模塊及節(jié)拍應(yīng)用實(shí)例等。該自動(dòng)線的設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，減少人力成本，解放了勞動(dòng)力，將給客戶帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。該加工單元的應(yīng)用，使得數(shù)控機(jī)床的加工能力增強(qiáng)，數(shù)控加工技術(shù)更是錦上添花。

【關(guān)鍵詞】桁架自動(dòng)化加工單元；數(shù)控車床；機(jī)械手；旋轉(zhuǎn)料庫；節(jié)拍

1、概述

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人力成本逐漸增加，在機(jī)加工行業(yè)中降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，減少人力成本才能更好的適應(yīng)市場競爭的需要。因此，必須利用先進(jìn)的自動(dòng)化機(jī)械以取代人的勞動(dòng)，滿足工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的需求，才能更好的適應(yīng)市場競爭的需要。機(jī)械手是其發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動(dòng)生產(chǎn)的效率，還能代替人工完成高強(qiáng)度、危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度。在機(jī)械行業(yè)中，機(jī)械手越來越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，目前機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)fms中的重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大、低效率的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。并且實(shí)現(xiàn)加工過程的靈活性、自動(dòng)化和無人化，它適合于機(jī)械零件的大批量生產(chǎn)。

目前我國大多數(shù)工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢。為了提高工作效率，降低成本，并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的要求，針對具體生產(chǎn)工藝，結(jié)合機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)，利用機(jī)械手技術(shù)，設(shè)計(jì)用上下料機(jī)械手裝置代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，并大幅降低人工成本。桁架自動(dòng)化加工單元具有自動(dòng)上下料、自動(dòng)翻面、自動(dòng)檢測等功能，可以實(shí)現(xiàn)零件從毛坯到成品的全部加工工序。該單元由兩臺(tái)或多臺(tái)數(shù)控車床、一至二套桁架機(jī)器手、旋轉(zhuǎn)料庫、成品料庫、翻面機(jī)構(gòu)等組成，結(jié)構(gòu)布局緊湊，占地面積小、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)。

2、桁架自動(dòng)化加工單元

2.1自動(dòng)化加工單元的布局。自動(dòng)化加工單元由一套桁架機(jī)器人與兩臺(tái)數(shù)控車床串聯(lián)組成，毛坯旋轉(zhuǎn)料庫位于自動(dòng)線左側(cè)，成品料庫位于自動(dòng)線右側(cè)，工件翻面模塊位于兩臺(tái)機(jī)床中間立柱處（如圖1所示），左側(cè)為第1序OP10數(shù)控機(jī)床，右側(cè)為第2序OP20數(shù)控機(jī)床。桁架機(jī)器人負(fù)責(zé)從料庫去料并完成此兩臺(tái)機(jī)床的上下料，1序到2序之間要經(jīng)過翻面平臺(tái)進(jìn)行一次翻面。

2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及主要技術(shù)參數(shù)。在兩臺(tái)數(shù)控機(jī)床中間用兩根立柱支撐橫梁導(dǎo)軌，兩根立柱在高度方向設(shè)計(jì)可調(diào)，此結(jié)構(gòu)具有節(jié)省空間的特點(diǎn)，占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊。橫梁導(dǎo)軌采用齒輪齒條傳動(dòng)，電機(jī)主動(dòng)輪采用潤滑毛氈齒輪，并結(jié)合集中潤滑系統(tǒng)對傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行充分的潤滑，大大的降低了快移時(shí)產(chǎn)生的工作噪音。經(jīng)過計(jì)算，選配的兩軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大加速度為4m/s2，水平軸最大快移速度達(dá)到100m/min、豎直軸最大快移速度達(dá)到80m/min。桁架機(jī)械手兩軸重復(fù)定位精度為±0.1mm，抓取重量為25kg（含手部）。

3、桁架自動(dòng)化加工單元的主要模塊結(jié)構(gòu)

3.1旋轉(zhuǎn)料庫。自動(dòng)線的毛坯料與成品料由16工位的旋轉(zhuǎn)托盤式料庫實(shí)現(xiàn)裝載，料庫可裝直徑為φ50-φ150mm的盤類零件，堆積料高可達(dá)到400mm，工件毛坯由人工放在旋轉(zhuǎn)料庫中，該料倉配置了上料與下料的兩個(gè)工位，通過電機(jī)和鏈條帶動(dòng)的料庫旋轉(zhuǎn)已達(dá)到傳送物料的作用。料倉的上料與下料位處分別設(shè)置有兩套提升與下降機(jī)構(gòu)，料庫執(zhí)行程序根據(jù)信號(hào)自動(dòng)控制。首先托板氣缸將上下料均推到上極限位置，隨著上下料的進(jìn)行，當(dāng)上料與下料絲杠均移動(dòng)到下極限位置時(shí)，兩個(gè)托盤氣缸同時(shí)退回，轉(zhuǎn)位電機(jī)帶動(dòng)分割器帶動(dòng)兩個(gè)上下料托盤實(shí)現(xiàn)180度轉(zhuǎn)位。轉(zhuǎn)位完成后托板氣缸同時(shí)再次推出，上料與下料絲杠上移到對應(yīng)感應(yīng)開關(guān)位置，此時(shí)旋轉(zhuǎn)料庫配合機(jī)械手的取料和放料，依靠對射開關(guān)感應(yīng)工件，控制上、下料提升機(jī)構(gòu)的自動(dòng)運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)與機(jī)械手模塊的上下料動(dòng)作。

3.2機(jī)械手模塊。機(jī)械手模塊由1套帶有直線氣缸的抓手支架和1套氣爪組成，可同步完成上料與下料動(dòng)作，上下料效率高。兩個(gè)氣爪均采用卡工件外圓方式，單套氣爪抓取工件最大重量為5kg，要求氣源壓力為0.5MPa以上。手爪設(shè)計(jì)成可調(diào)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)零件外徑尺寸的變化。氣爪配有工件彈出機(jī)構(gòu)，保證在上料時(shí)，工件定位面可靠的壓在卡盤夾具的定位面上，保證工件加工的上料穩(wěn)定性。

3.3工件翻面模塊。翻面模塊采用直線氣缸和選裝氣缸的有機(jī)組合來實(shí)現(xiàn)工件兩序之間的換面操作。由于零件是按照兩序加工的，考慮到自動(dòng)線的結(jié)構(gòu)緊湊性和翻轉(zhuǎn)的快速可靠性，因此，在自動(dòng)線的兩序之間加一個(gè)翻轉(zhuǎn)工位來實(shí)現(xiàn)對工件的180°翻轉(zhuǎn)。具體工件動(dòng)作為：上料時(shí)，機(jī)械手模塊將工件放置在帶導(dǎo)桿氣缸的定位盤上，寬型氣爪將工件夾緊，帶導(dǎo)桿氣缸退回，擺臺(tái)帶動(dòng)寬型氣爪完成180°翻面，帶導(dǎo)桿氣缸伸出接住工件，寬型氣爪松開。機(jī)械手模塊將工件抓走。

3.4人工抽檢臺(tái)。自動(dòng)線設(shè)有人工固定檢測平臺(tái)，可根據(jù)客戶工藝要求，編程設(shè)置完成指定數(shù)目的工件后機(jī)器人就自動(dòng)放置一個(gè)成品到檢測平臺(tái)就進(jìn)行抽檢，操作者可以將放在固定平臺(tái)上的工件拿走進(jìn)行人工測量。

4、桁架機(jī)械手工作流程節(jié)拍和零件加工節(jié)拍實(shí)例

桁架自動(dòng)化加工單元要求上下料流程節(jié)拍小于或等于機(jī)床加工零件的最大節(jié)拍，才可保證自動(dòng)線的最大加工效率。桁架機(jī)械手的工作流程可分為以下六步：1）機(jī)械手從料庫上料區(qū)抓工件至機(jī)床OP10上方；2）機(jī)械手將工件送進(jìn)OP10機(jī)床，裝卸料，然后運(yùn)行至翻面區(qū)上方；3）機(jī)械手將工件放入翻轉(zhuǎn)臺(tái)手爪內(nèi)，然后翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將工件換面；4）機(jī)械手從翻轉(zhuǎn)臺(tái)抓取第一序成品，翻轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)并返回至起始位置；5）機(jī)械手將翻面完成的工件放進(jìn)OP20機(jī)床，裝卸料，然后將成品工件運(yùn)行至料庫下料區(qū)；6）機(jī)械手下料，并返回至料庫上料區(qū)上方等待；每個(gè)工作流程都是按照上述六步循環(huán)。

此桁架機(jī)械手動(dòng)作節(jié)拍包括機(jī)器人從上料托盤取料6秒，移動(dòng)到OP10機(jī)床3秒，給OP10機(jī)床換料16秒，移動(dòng)到換面機(jī)構(gòu)處3秒，工件換面7秒，移動(dòng)到OP20機(jī)，3秒，給OP20機(jī)床換料16秒，行走至下料托盤3秒，下料托盤放料5秒，全過程的總節(jié)拍為62秒。

以加工的?92離合器盤轂為例，第1序加工時(shí)間為70秒，第2序加工時(shí)間為66秒。而機(jī)械手的節(jié)拍為62秒，小于機(jī)床對此零件兩序的加工節(jié)拍，故此機(jī)械手自動(dòng)線滿足機(jī)床處于最大利用率的生產(chǎn)節(jié)拍要求。

5、結(jié)束語

桁架自動(dòng)化加工單元應(yīng)用在機(jī)加工生產(chǎn)線，大大提高了機(jī)械加工的自動(dòng)化程度，生產(chǎn)效率大幅度提高，大大的解放了勞動(dòng)力，節(jié)約了人力成本，給用戶帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。該加工單元主要適用于多品種、高效率的加工，具有通用互換性，更具有柔性、精密、智能的特點(diǎn)，是未來機(jī)加工行業(yè)的發(fā)展方向。該加工單元的成功應(yīng)用，使得數(shù)控加工技術(shù)更加錦上添花。