剁齒機(jī)全自動送料裝置的設(shè)計

□ 王 敏 □ 周曉華

中國兵器工業(yè)第五八研究所 機(jī)電部 四川綿陽 621000

剁齒機(jī)全自動送料裝置的設(shè)計

□ 王 敏 □ 周曉華

中國兵器工業(yè)第五八研究所 機(jī)電部 四川綿陽 621000

剁齒機(jī)在進(jìn)行銼刀齒紋加工時，會產(chǎn)生很大的噪聲。提出了采用自動送料裝置——料倉式步進(jìn)送料裝置和料斗式連續(xù)送料裝置來解決噪聲問題和提高生產(chǎn)效率。詳細(xì)介紹了料斗式連續(xù)送料裝置，提出了自動化生產(chǎn)線的兩種改造方案，實現(xiàn)工廠的無人化，徹底解決銼刀加工行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級和發(fā)展問題。

自動送料 剁齒機(jī) 銼刀 自動化生產(chǎn)線

銼刀的齒紋加工主要采用剁齒工藝來實現(xiàn)，如圖1所示。在剁齒車間，一般有幾十臺剁齒機(jī)同時工作，工作時刀具不斷地剁入工件內(nèi)形成一定深度和寬度的銼紋，并伴隨產(chǎn)生很大的噪聲，單機(jī)噪聲一般在85dB以上［1］。目前，銼刀坯的上下料主要依靠手工操作完成。工人首先將銼刀坯放置在銼刀槽內(nèi)，剁齒機(jī)加工完一面后，再手工翻轉(zhuǎn)到另一待加工面，繼續(xù)加工，完成后再手工下料，放入新的銼刀坯，如此重復(fù)。一個工人只能管理一臺機(jī)器，且長時間處于高分貝的噪聲環(huán)境中，嚴(yán)重影響了工人的身心健康。

▲圖1 剁齒工藝示意圖

如何降低噪聲對于工人的影響，國內(nèi)外進(jìn)行了很多相關(guān)嘗試。思路主要集中在兩方面：①改進(jìn)機(jī)床或剁齒工藝來降低噪聲，如分析剁齒機(jī)的主要噪聲源，采用彈性沖芯剁齒機(jī)頭［1，2］；② 將噪聲在空間或時間上隔離，如德國的一種自動剁齒機(jī)［3］，采用自動上下料方法來隔離噪聲。國內(nèi)的設(shè)備長期專注于在機(jī)床設(shè)計和工藝改進(jìn)上去降低噪聲，但一般降低噪聲在10dB左右，這對于整個加工車間而言沒有實際意義。

從理論和實際應(yīng)用結(jié)果來看，剁齒過程的噪聲很難降低，最好采用隔離設(shè)備的方式來降低對工人身心健康的影響。而隨著自動線的發(fā)展和人力成本的提升（包括職業(yè)健康的維護(hù)），采用全自動送料（包含下料）和工廠無人化生產(chǎn)，成為銼刀加工行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級和發(fā)展的必由之路。

1 自動送料裝置的方案設(shè)計

銼刀坯尤其是平銼刀坯的形狀特性（長而扁）決定了常用的送料裝置很難實現(xiàn)全自動送料。根據(jù)儲料裝置的種類可分為料倉式和料斗式［4］。料倉式需要人工提前按照一定的方向和規(guī)律把銼刀坯擺放在料倉內(nèi)，然后由上料機(jī)構(gòu)將工件送上剁齒機(jī)的銼刀槽內(nèi)；料斗式只需要把銼刀坯任意地放入料斗內(nèi)，然后進(jìn)行篩選和定向，最后送入銼刀槽內(nèi)。料倉式屬于半自動上料，工人仍需要花費一定的時間進(jìn)行上料［5］。料斗式屬于全自動，但機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，成本也更高。

1.1 方案1

料倉式儲料和步進(jìn)式上下料融合，完成銼刀坯的自動送料，圖2所示為步進(jìn)式上下料的原理圖。銼刀坯按照一定的方向從料倉中放料到輸送槽上，相鄰輸送槽之間有固定的距離。輸送槽安裝在運動機(jī)構(gòu)上，每次抬起向前前進(jìn)一段距離后再放下，動作過程類似于鋼卷的步進(jìn)梁輸送設(shè)備［6］。最末端輸送槽進(jìn)行卸料，倒數(shù)第二個輸送槽完成上料。

▲圖2 步進(jìn)送料原理圖

圖3所示為某剁齒機(jī)步進(jìn)送料的詳細(xì)過程。圖3（a）為上一個銼刀坯剛完成齒紋加工；圖3（b）為銼刀槽進(jìn)入裝卸料位置；圖3（c）為最末端輸送槽正進(jìn)行卸料；圖3（d）為卸料完成，倒數(shù)第二個輸送槽正準(zhǔn)備上料；圖3（e）為上料完成；圖3（f）為銼刀槽回到加工位置過程中。銼刀坯回到加工位后，開始加工，完成后則處于圖3（a）狀態(tài)。

1.2 方案2

料斗式儲料器和連續(xù)送料方式融合，實現(xiàn)銼刀的自動分料、定向和上下料過程。圖4所示為某剁齒機(jī)的模型圖，其中深色部分為全自動送料裝置。銼刀坯一次任意放入圖示的左側(cè)料斗內(nèi)，料斗通過初步篩選，按照一定的速率和料量放料到分料機(jī)構(gòu) （圖示輸送帶部分），分料機(jī)構(gòu)通過柔性的篩選機(jī)構(gòu)、檢測裝置和對中機(jī)構(gòu)，完成銼刀坯的隔料、分料和定位，最終送到上料準(zhǔn)備位，再由一個三自由度的機(jī)械手同時抓取準(zhǔn)備位的銼刀坯和銼刀槽內(nèi)準(zhǔn)備下料的已完成齒紋加工的銼刀，并移動或旋轉(zhuǎn)送料到加工位的銼刀槽內(nèi)，同時卸料到外部成品收集箱或下一工序的傳送帶上，完成上下料過程。

比較方案1與方案2，方案1結(jié)構(gòu)更簡單，機(jī)構(gòu)運動較少，可靠性更高，成本更低，但單次上料數(shù)量不多，且需要人工按照一定方向進(jìn)行放料，放料時間間隔也較短，工人處于噪聲環(huán)境中時間較長。方案2使工人可實現(xiàn)快速放料，放料時間間隔可以很長甚至可以改造為無人化生產(chǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)構(gòu)的運動較多，成本偏高。綜合考慮，方案1適合于小型小批量的銼刀齒紋加工廠，方案2適合于較大規(guī)模的加工廠。通過合理的設(shè)備布局和工廠自動化改造，方案2可實現(xiàn)工廠無人化，實現(xiàn)加工成本（包括人工成本）的大幅下降。

▲圖3 某剁齒機(jī)的步進(jìn)送料過程

▲圖4 某剁齒機(jī)的模型圖

2 連續(xù)式全自動送料裝置

對于耗費大量人力且工作環(huán)境惡劣的銼刀加工行業(yè)，實現(xiàn)工廠自動化是其必然方向，下面著重介紹方案2的連續(xù)式全自動送料裝置的原理和結(jié)構(gòu)。該裝置由料斗、分料機(jī)構(gòu)和上下料機(jī)械手組成。圖5所示為料斗和分料機(jī)構(gòu)，料斗是存儲銼刀坯的容器，也是整個自動上料的起點和自動化生產(chǎn)線的接口所在。圖中，料斗具有自適應(yīng)放料和抖動去堵塞的功能，通過控制料斗內(nèi)的尺寸和一塊高度調(diào)節(jié)架來調(diào)節(jié)不同型號銼刀坯的放料速度［7］，氣缸和電磁鐵控制料斗的關(guān)閉、打開和振動頻率，用振動來消除堵塞；用檢測開關(guān)來獲取放料速度和堵塞情況并反饋給控制系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)料斗的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)自適應(yīng)的放料和消除堵塞。

▲圖5 料斗和分料機(jī)構(gòu)

分料機(jī)構(gòu)主要由傳送帶、篩選機(jī)構(gòu)、隔料機(jī)構(gòu)（圖中未顯示）和對中機(jī)構(gòu)組成，用于實現(xiàn)料斗放料的銼刀坯的輸送，并在輸送過程中對其疊料和斜料進(jìn)行篩選，直到銼刀坯的長度方向與運動方向垂直（如圖6所示），然后經(jīng)過隔料機(jī)構(gòu)和自流，輸送到對中平臺，在對中平臺上進(jìn)行定位后即處于上料準(zhǔn)備位置（如圖7所示）。

▲圖6 篩選后銼刀坯的狀態(tài)

▲圖7 對中平臺和上下料機(jī)械手

▲圖8 上下料機(jī)械手

銼刀坯在圖7所示的對中平臺上完成定位后，由機(jī)械手抓取并完成上下料。如圖8所示，機(jī)械手抓取位置從左到右，依次為上料準(zhǔn)備位、上料位（卸料抓取位）和卸料放料位，其中抓取了上料準(zhǔn)備位的銼刀坯后，機(jī)械手根據(jù)系統(tǒng)反饋銼刀坯的位置和方向信號進(jìn)行調(diào)整，并上料到銼刀槽（即上料位），與此同時，加工好的銼刀坯在卸料位卸料，至此完成整個全自動送料過程。

連續(xù)式全自動送料裝置的設(shè)計初衷主要用于組合形式的剁齒機(jī)，工人每班上一次料，且上料過程短，使工人免于長時間處于巨大的噪聲環(huán)境下，同時提高生產(chǎn)效率。

3 自動化生產(chǎn)線改造

通過傳輸線把整個車間的自動送料裝置和不同工序的剁齒機(jī)聯(lián)合起來，實現(xiàn)工廠生產(chǎn)的全自動化和無人化，從而最大程度提高工廠的生產(chǎn)效率和降低運行成本，并徹底解決噪聲帶來的環(huán)境和健康問題?，F(xiàn)有的加工車間和設(shè)備主要有兩種方式來實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線。

3.1 方式1

將連續(xù)式全自動送料裝置布置在整個生產(chǎn)線的起點，如上一道工序車間或剁齒加工車間的起點處。剁齒機(jī)成對布置在廠房內(nèi)，加工主挫紋和副挫紋的機(jī)床相鄰布置，之間用傳輸線連接，如圖9所示的某對布置，加工完的成品則使用反方向的傳輸線返回并收集。

3.2 方式2

添加幾條標(biāo)準(zhǔn)的傳輸線，將銼刀坯傳送到各全自動送料裝置和剁齒機(jī)處，并送料到料斗中，其局部布局如圖9所示。

方式1與方式2整體布局均類似。主要差異在于裝卸料交接接口的機(jī)構(gòu)不同。方式1，起點采用料斗和分料機(jī)構(gòu)接傳輸線的方式，但送料接口的改動較大，需要添加一組簡化的上料機(jī)構(gòu)，只使用一部分全自動送料裝置，總成本較低。方式2，起點類似，在接口處和反向傳輸線接口處需要添加簡易的隔料和送料機(jī)構(gòu)［8］，可使用原有的全自動送料裝置改裝且改動較小，但總體成本較高。因此，若是首次投入改造自動化生產(chǎn)線，則可使用方式1；若是通過現(xiàn)有的自動送料裝置和剁齒機(jī)改造，則可使用方式2，此時方式2的再投入成本更低。

▲圖9 自動化生產(chǎn)線局部布局圖

4 結(jié)束語

銼刀的齒紋加工目前仍屬于勞動密集型的加工行業(yè)，同時其工作環(huán)境非常惡劣，因此無論是從工人職業(yè)健康還是廠家可持續(xù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級的角度都急需自動化改造。由于剁齒機(jī)自身的剁齒技術(shù)已經(jīng)基本成熟，實現(xiàn)自動化關(guān)鍵在于其自動送料裝置的開發(fā)。料倉式步進(jìn)送料和料斗式連續(xù)送料都各有其用武之地，后者更適合于大規(guī)模加工和自動線的改造。另外，改造本身還需要考慮現(xiàn)有剁齒機(jī)設(shè)備情況和廠房規(guī)模，具體問題具體分析，不拘泥于本文的自動送料裝置和生產(chǎn)線改造方式。

［1］劉文光.彈性沖芯剁齒機(jī)頭 ［P］.中國專利：CN2071101，1991-02-13.

［2］鄭三中.應(yīng)用殘余譜法識別剁齒機(jī)的主要噪聲源［J］.蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報，1991（1）.

［3］徐立強(qiáng).全自動剁齒機(jī) ［P］.中國專利：CN203712003U，2014-07-16.

［4］電機(jī)工程手冊編委會.機(jī)械工程手冊（第8卷）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［5］劉春林.料斗式自動定向裝置的設(shè)計與研究［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2011（11）：103-108.

［6］徐從保，程良鍵.鋼卷步進(jìn)梁輸送機(jī)應(yīng)用及其參數(shù)設(shè)計［J］.冶金設(shè)備，2008（4）.

［7］劉德忠，廢仁元，Stefan Hessen.裝配自動化［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［8］李紹炎.自動機(jī)與自動線［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

（編輯 丁 罡）

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1000-4998（2015）03-0015-03

2014年9月