合金棒材端面定位孔成形專用設(shè)備的控制系統(tǒng)研究

張大偉

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域也發(fā)生了空前的巨變，對產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率的要求越來越嚴(yán)格，代替人工的自動(dòng)化設(shè)備有了良好的發(fā)展空間，尤其是非標(biāo)類的自動(dòng)化設(shè)備更是工業(yè)發(fā)展中必不可少的產(chǎn)物。本論文中的設(shè)備——合金棒材端面定位孔成形專用設(shè)備是廈門鎢業(yè)股份有限公司技術(shù)中心研發(fā)的，該設(shè)備應(yīng)用于硬質(zhì)合金預(yù)燒坯棒材兩個(gè)端面定位孔的加工，其研發(fā)的目的是提高合金預(yù)燒坯加工的精確性與高效性。該設(shè)備采用“棒材轉(zhuǎn)動(dòng)，兩端頂尖同時(shí)進(jìn)給”的加工方式，能夠比較好的保證預(yù)燒坯的加工品質(zhì)。該設(shè)備是自主研發(fā)的，在國內(nèi)外沒有同樣的設(shè)備，在行業(yè)中屬于首創(chuàng)，屬于非標(biāo)類設(shè)備。

關(guān)鍵詞：非標(biāo)類設(shè)備；TwinCAT；運(yùn)動(dòng)控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.002

1 引言

隨著廈門鎢業(yè)股份有限公司合金非標(biāo)產(chǎn)品的業(yè)務(wù)量逐年增加，對加工設(shè)備的要求也越來越嚴(yán)格。廈門金鷺特種合金有限公司合金一部大批量生產(chǎn)硬質(zhì)合金預(yù)燒坯棒材系列產(chǎn)品，部分產(chǎn)品出廠前要經(jīng)過一道工序——給合金預(yù)燒坯棒材的兩個(gè)端面鉆孔，產(chǎn)品加工前后的對比情況如下圖1所示，該工序?qū)辖甬a(chǎn)品的質(zhì)量影響極大。

由于硬質(zhì)合金預(yù)燒培棒材系列產(chǎn)品生產(chǎn)量大、規(guī)格不一、易崩缺、易折斷，如果由人工手動(dòng)給產(chǎn)品鉆孔，會(huì)面臨勞動(dòng)強(qiáng)度大、多工序操作復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品報(bào)廢率高、人身安全性差等諸多不利因素。因此公司迫切需要大批量自動(dòng)化設(shè)備來代替人工。

通過調(diào)查考證發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外生產(chǎn)合金預(yù)燒坯棒材端面定位孔的設(shè)備處于空白，MAZAK、ANCA、NUM等幾家國際知名的機(jī)床廠家的設(shè)備可以通過在現(xiàn)有的7軸數(shù)控系統(tǒng)加工平臺(tái)上增加程序模塊和改動(dòng)加工機(jī)構(gòu)等方式實(shí)現(xiàn)加工棒材定位孔，但費(fèi)用昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)算。

綜合以上因素，公司只能獨(dú)立創(chuàng)新、自主研發(fā)出適合硬質(zhì)合金預(yù)燒坯棒材系列產(chǎn)品端面定位孔成形的專用設(shè)備。自主研發(fā)適合專門產(chǎn)品的專用設(shè)備，既可以保證生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝不外泄，又可以根據(jù)產(chǎn)品的特性升級和改善設(shè)備的功能，便于日后設(shè)備的維護(hù)。設(shè)備的示意圖如下圖2所示。

2 設(shè)備組成和功能介紹

合金棒材端面定位孔成形專用設(shè)備是我公司組織研發(fā)的一臺(tái)新型的合金預(yù)燒坯棒材系列產(chǎn)品端面定位孔加工設(shè)備，該設(shè)備是用于合金預(yù)燒坯棒材系列產(chǎn)品的端面定位孔成形工序，也是公司控制產(chǎn)品質(zhì)量的最重要的環(huán)節(jié)之一。對設(shè)備的要求包括：安全性、穩(wěn)定性、操作性、產(chǎn)品質(zhì)量、日均產(chǎn)能、加工效率等。

設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)如下圖3、4、5所示：

“1-設(shè)備上罩”用鋁型材拼接組裝而成，物美價(jià)廉；

“2-設(shè)備下罩”用鈑金焊接、支撐機(jī)構(gòu)加固后組裝而成，外形美觀大方；

“3-1#觸摸屏”1#觸摸屏在設(shè)備的正面，用于設(shè)備的操作；

“4-電氣柜”內(nèi)部包含電氣元件。

“5-1#機(jī)械手”1#機(jī)械手由X1軸伺服電機(jī)、Y1軸伺服電機(jī)、升降氣缸和真空吸盤組成。在整個(gè)加工過程中1#機(jī)械手，一直處于工作狀態(tài)，1#石墨料盤處取待加工的料——送料到工作頭處加工——返回1#石墨料盤處取待加工的料；其中機(jī)械手部分的機(jī)構(gòu)如下圖6所示，包含了若干氣缸切實(shí)保障了取放棒料的自動(dòng)化運(yùn)行。

“6-2#機(jī)械手”2#機(jī)械手由X2軸伺服電機(jī)、Y2軸伺服電機(jī)、升降氣缸和真空吸盤組成。在整個(gè)加工過程中2#機(jī)械手，一直處于工作狀態(tài)，工作頭處取加工好的產(chǎn)品——送產(chǎn)品到2#石墨料盤處——返回工作頭處取加工好的產(chǎn)品；其中機(jī)械手部分的機(jī)構(gòu)如上圖6所示，兩組機(jī)械手形成對稱結(jié)構(gòu)。

“7-工作頭”工作頭部分由Z1軸伺服電機(jī)、Z2軸伺服電機(jī)、Z3軸伺服電機(jī)、C軸三相異步電動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)夾頭組成。在此區(qū)域完成合金預(yù)燒坯棒料的鉆孔工藝；

“8-1#石墨料盤”1#石墨料盤上放置著待加工的合金預(yù)燒坯棒料；

“9-2#石墨料盤”2#石墨料盤上放置著加工好的產(chǎn)品；

“10-2#觸摸屏”2#觸摸屏在設(shè)備的背面，功能與1#觸摸屏一樣，尺寸稍小一些主要為了方便操作人員在設(shè)備背面設(shè)置機(jī)械手參數(shù)。

上圖7中體現(xiàn)了該設(shè)備的主要負(fù)載情況，7個(gè)伺服電機(jī)（Z1軸、Z2軸、Z3軸、X1軸、Y1軸、X2軸、Y2軸）和1個(gè)三相異步電動(dòng)機(jī)（C軸）共同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自動(dòng)化加工。

3 設(shè)備工作過程概述

（1）首先1#機(jī)械手通過X1軸和Y1軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)定位在1#石墨料盤的合金預(yù)燒坯棒料上方，1#機(jī)械手的升降氣缸動(dòng)作，真空吸盤將棒料吸起，再通過X1軸和Y1軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)配合升降氣缸和真空吸盤的動(dòng)作將合金預(yù)燒坯棒料放置在工作頭的待加工托盤上；

（2）工作頭檢測到有棒料在待加工托盤上后，Z3軸運(yùn)動(dòng)將棒料推到工作頭夾頭中，工作頭檢測到棒料推到位后，夾頭加緊同時(shí)工作頭擺動(dòng)到加工位置，Z1軸和Z2軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，完成定位孔的加工工藝；

（3）棒料定位孔加工完成后，工作頭復(fù)位并由Z3軸將加工完成的產(chǎn)品推到收料托盤上，再由2#機(jī)械手通過X2軸和Y2軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)定位在收料托盤上方，2#機(jī)械手的升降氣缸動(dòng)作，真空吸盤將棒料吸起，再通過X2軸和Y2軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)配合升降氣缸和真空吸盤的動(dòng)作將加工好的產(chǎn)品放在2#石墨料盤上；

按照以上的工序，設(shè)備持續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行著。整個(gè)運(yùn)行過程都是根據(jù)人機(jī)界面上的加工配方和加工工藝參數(shù)執(zhí)行的。

3.1 技術(shù)要求

（1）硬質(zhì)合金預(yù)燒坯棒材加工范圍。合金一部主要產(chǎn)品的定位孔尺寸如下圖8所示：

棒料直徑范圍：6mm～42mm；

棒料長度范圍：110mm～200mm。

（2）加工效率。加工時(shí)間控制在：45秒以內(nèi)。

（3）加工精度。加工后棒料兩端定位孔同軸精度≤0.02mm；

加工后棒料兩端定位孔深度誤差≤0.10mm。

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