立式雙端面磨床的全自動(dòng)上下料解決方案

華文孝

（湖南宇環(huán)數(shù)控有限公司，湖南瀏陽，410323）

0 引言

當(dāng)前玻璃薄片類零件的表面磨削加工，比如手機(jī)和手表的玻璃面板、藍(lán)寶石面板等的表面加工，一般采用雙端面立磨加工。目前，該類工件的上下料基本采用人工作業(yè)方式，但由于其生產(chǎn)量大、單個(gè)工件加工時(shí)間短，工人的上下料頻次極高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且一臺(tái)磨床需2-3個(gè)工人全程在崗，導(dǎo)致人工成本增高、效率低下。因此，該行業(yè)眾多企業(yè)希望能實(shí)現(xiàn)工件加工的自動(dòng)上下料。

如果采用機(jī)器人配吸盤方式將工件直接放入送料盤，由于工藝要求，立式磨床的送料盤需要不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，待加工的產(chǎn)品必須準(zhǔn)確放到送料盤的載物孔中，才能進(jìn)行高效磨削，但是，目前主流機(jī)器人的放置速度很難與送料盤的速度相匹配。若采用機(jī)器人跟隨送料盤上料的作業(yè)方式，則需要對(duì)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，存在一定的難度，目前尚未見到成熟可靠的應(yīng)用。

針對(duì)上述問題，本文介紹了一種用于玻璃面板薄片類易碎零件雙端面磨床自動(dòng)上下料的解決方案，該方案通過全方位考慮該類零件在磨削過程中的自動(dòng)上下料問題，使得設(shè)備安全可靠，同時(shí)降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，一人可以照看多臺(tái)設(shè)備。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理分析

典型的人工上下料玻璃面板磨削加工狀態(tài)如圖1所示, 人工將工件放到箭頭指示位置，從指示位置下料。

如果采用機(jī)器人配吸盤方式將工件直接放入送料盤，基本不可行，因?yàn)樗土媳P是不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的，可以從下面的推導(dǎo)公式看出：ν=ωr，

其中，ν為線速度；

ω為送料盤角速度，玻璃面板磨削時(shí)，送料盤的轉(zhuǎn)速一般為1.5～2rpm；

r為送料盤載物孔位置半徑，送料盤直徑一般800mm,載物孔位置直徑一般為600～700mm,本文取其直徑為650mm，則有：

ν=ωr =2πnr=2×3.14×(1.5～2)×(650÷2)÷60=51～68mm/s。

圖1 人工上下料示意圖

眾所周知，機(jī)器人在釋放工件的過程中，不管是吸盤還是氣缸抓手，氣動(dòng)件都有一定的響應(yīng)時(shí)間，一般約為0.1s，電磁閥的動(dòng)作相應(yīng)時(shí)間約0.1s。假設(shè)工件從等待位置到放置位置的高度差為10mm，速度較快的機(jī)器人垂直方向的最大速度約為900mm/s，但由于機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)有一個(gè)加速的過程，而位移又小，速度很難提升起來，所以移動(dòng)速度按300mm/s計(jì)算，則機(jī)器人移動(dòng)到位所需時(shí)間約0.03s；若忽略信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間，那么機(jī)器人從得到信號(hào)到放置到位，送料盤旋轉(zhuǎn)移動(dòng)的距離約為：

（51～68）×（0.1+0.1+0.03）=11.73～15.64mm。

而送料盤與工件的間隙單邊為2mm，所以機(jī)器人直接放置不可行，除非將送料盤的轉(zhuǎn)速降低，但這樣加工效率會(huì)大大降低。

綜合以上分析，筆者全方位考慮自動(dòng)上下料解決方案，設(shè)計(jì)出一種用于玻璃面板薄片類零件雙端面磨床自動(dòng)上下料系統(tǒng)，以降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，使得一人可以照看多臺(tái)設(shè)備。

該系統(tǒng)如圖2所示，由：1.存料、備料系統(tǒng)平移軌道；2.存料、備料系統(tǒng)；3.立式磨床；4.同步上料機(jī)構(gòu)；5.移載機(jī)；6.下料系統(tǒng)等組成。

圖2 立式雙端面磨床全自動(dòng)上下料系統(tǒng)示意圖

1.1 存料、備料系統(tǒng)平移軌道

該裝置由鋼結(jié)構(gòu)底座、成對(duì)直線導(dǎo)軌、鎖緊機(jī)構(gòu)等組成，主要作用是為了方便更換砂輪、更換送料盤或機(jī)床維修。當(dāng)需要作業(yè)時(shí)，該裝置松開鎖緊機(jī)構(gòu)，推動(dòng)存料、備料系統(tǒng)到左端，敞開前部進(jìn)行作業(yè)；作業(yè)完成后，將存料、備料系統(tǒng)推動(dòng)到右邊，緊固鎖緊機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 存料、備料系統(tǒng)平移軌道示意圖

1.2 存料、備料系統(tǒng)

該系統(tǒng)由存料機(jī)構(gòu)、SCARA機(jī)器人、校正裝置和機(jī)架4部分組成，如圖4所示。

圖4 存料、備料系統(tǒng)示意圖

1.2.1 存料機(jī)構(gòu)

存料機(jī)構(gòu)由換位機(jī)構(gòu)、托板機(jī)構(gòu)、推板機(jī)構(gòu)、存料盒、基座等組成。其中，換位機(jī)構(gòu)由擺動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)，安裝在基座上。托板由模組導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)，模組頂端安裝有伺服電機(jī)，每個(gè)存料盒下部開有U型口，托板可以通過開口托起工件。推板機(jī)構(gòu)安裝在存料機(jī)構(gòu)頂部，推板每次可推走一片工件到中轉(zhuǎn)區(qū)；每推走一片工件，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模組將帶動(dòng)托板上升一片工件厚度的高度。存料機(jī)構(gòu)示意圖見圖5所示。

圖5 存料機(jī)構(gòu)示意圖

圖6 存料盒示意圖

存料盒可以儲(chǔ)存約600片工件，高度約720mm，磨削速度約3～5s/片，因此，每個(gè)存料盒的容量可供料約30～50min。為保證連續(xù)生產(chǎn)和增長人工上下料的時(shí)間間隔，筆者設(shè)計(jì)了兩個(gè)存料盒以便切換，這樣人工上料時(shí)間間隔為60～100min。存料盒示意圖見圖6。

1.2.2 SCARA機(jī)器人

SCARA機(jī)器人執(zhí)行末端安裝有吸盤，負(fù)責(zé)將工件從中轉(zhuǎn)區(qū)放置到校正裝置上，機(jī)器人臂展600mm，可提升高度200mm，負(fù)載5kg，循環(huán)次數(shù)約120次/min，滿足9s內(nèi)上3次料的要求。其示意圖見圖7。

1.2.3 校正裝置

校正裝置由3個(gè)校正臺(tái)組成，并且每個(gè)校正臺(tái)都是獨(dú)立的，校正臺(tái)由底板、校正板、氣缸組成。為減少工件底面與校正臺(tái)底板形成真空的概率，該裝置采用開槽結(jié)構(gòu)，以便工件拾??；同時(shí)設(shè)置有“L”型擋邊及2個(gè)氣缸驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)擋邊，便于工件校正，保證工件的定位準(zhǔn)確，如圖8所示。

圖8 校正裝置示意圖

1.3 同步上料機(jī)構(gòu)

同步上料機(jī)構(gòu)由16個(gè)零部件組成（見圖9），圖中：1.弧形板；2.連接板1；3.吸附板；4.電磁鐵；5.擺動(dòng)連接板；6.擺動(dòng)氣缸；7.液壓緩沖器；8.定位塊；9.轉(zhuǎn)動(dòng)外殼；10.隨動(dòng)插銷；11.連接板2；12.送料盤；13.手指氣缸；14.支撐桿；15.安裝座；16.上料板。

該機(jī)構(gòu)為了保證上料的可靠性，在工件落入磨床送料盤時(shí)，上料機(jī)構(gòu)與送料盤處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)（即同步狀態(tài)），如圖10所示。

圖9 同步上料機(jī)構(gòu)示意圖

圖10 同步上料機(jī)構(gòu)與磨床連接示意圖

1.3.1 結(jié)構(gòu)說明

在圖9中，件1、件2、件3、件9、件10、件11、件13、件14、件15、件16，通過螺栓連接在一起，構(gòu)成上料盤，其中件3安裝在件2上。

件4，件5，件6，件15，通過螺栓連接在一起，組成隨動(dòng)控制部件。其中，件15與軸承內(nèi)圈形成配合關(guān)系，軸承的外圈與件9形成配合關(guān)系。

件8和件12由螺栓組合在一起，由磨床傳動(dòng)系統(tǒng)控制其運(yùn)動(dòng)。

件12擁有9個(gè)載物缺口。

件10安裝在件11上；件7安裝在磨床與機(jī)架相連的法蘭上；件16上方開有和工件形狀一樣的缺口，但缺口尺寸比工件略微大，工件放到缺口里面有一定的間隙，單邊≤0.5mm；件13安裝在件1上，手指連接件14，當(dāng)手指閉合時(shí)，件14將工件支撐在件16缺口的下方。

1.3.2 具體工作流程

同步上料機(jī)構(gòu)具體工作流程如下：

1）上料開始前，件12按照磨床控制系統(tǒng)設(shè)定的轉(zhuǎn)速勻速旋轉(zhuǎn)。

2）件6處于上料初始位置；件4處于通電狀態(tài)，將上料盤牢牢吸??；件13處于收攏狀態(tài)，等待工件放入上料板的上料孔位（如圖9）；件4斷電，件6將件5和件4擺動(dòng)至吸取位；件10在氣缸的驅(qū)動(dòng)下，下降到位。

3）上述動(dòng)作完成后，件12仍然在不停轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)件10與件8接觸時(shí)，帶動(dòng)件12一起轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，件12與件16同步轉(zhuǎn)動(dòng)（如圖11），彼此相對(duì)靜止，件16上的上料孔與件12上的載物孔完全對(duì)齊。

圖11 隨動(dòng)插銷與定位座連接示意圖

4）件12與件16同步后，件13打開，工件在重力作用下落入件12的載物孔內(nèi)，該載物孔比件16的上料孔單邊大1.5mm以上，能保證工件可靠落入載物孔內(nèi)。

5）工件落入載物孔后，件13收攏，待件16轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置，件4吸盤通電，將件12吸住，然后件6啟動(dòng)，將件12擺動(dòng)至上料初始位置，由此進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。循環(huán)往復(fù)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料。

1.4 移載機(jī)

移載機(jī)由無桿氣缸、導(dǎo)桿氣缸、吸盤組和基座組成（見圖12），主要工作是將校正裝置上的工件一次性吸住并送到同步上料機(jī)構(gòu)的上料盤（一次共吸3件，3個(gè)校正臺(tái)的相對(duì)位置與送料盤上的3個(gè)上料位置完全一致）。

該機(jī)構(gòu)的工作流程是：首先，吸盤吸住工件后，垂直導(dǎo)軌氣缸升起，從而帶動(dòng)工件提升；然后，縱向無桿氣缸帶動(dòng)工件到達(dá)上料盤上方，垂直導(dǎo)軌氣缸下降，吸盤組釋放，將工件放下。

圖12 移載機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.5 下料系統(tǒng)

下料系統(tǒng)由：1.輸送帶；2.SCARA機(jī)器人；3.集料盒；4.集料盒翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；5.集料盒升降機(jī)構(gòu)；6.機(jī)架等構(gòu)成，具體見圖13所示。

圖13 下料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在該系統(tǒng)中，輸送帶用于接住導(dǎo)料板滑落的工件，輸送帶比較軟，可起到緩沖作用，也可將工件輸送到系統(tǒng)末端，方便SCARA機(jī)器人拾取。同時(shí)，輸送帶可以左右移動(dòng)，方便更換砂輪、送料盤或機(jī)床維修。在工作狀態(tài)時(shí)，其處于左極限位；更換砂輪、送料盤或機(jī)床維修時(shí)，其處于右極限位。

工件被輸送到末端后，視覺系統(tǒng)開始檢測工件位置，引導(dǎo)SCARA機(jī)器人吸取工件，并將其移送到集料盒。當(dāng)工件裝滿一層后，集料盒升降機(jī)構(gòu)下降一層的高度，方便機(jī)器人取放工件。集料盒升降機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)和導(dǎo)軌模組組成。

下料系統(tǒng)配有2個(gè)集料盒、集料盒翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和集料盒升降機(jī)構(gòu)，當(dāng)一個(gè)集料盒裝滿后，機(jī)器人自動(dòng)切換到另一個(gè)集料盒下料。裝滿工件的集料盒，可在集料盒翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用下翻轉(zhuǎn)成水平狀態(tài)，方便人工取走，并更換一個(gè)新的集料盒；更換完成后，集料盒(見圖14)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將新集料盒翻轉(zhuǎn)90°，使其恢復(fù)到豎直狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)入下料收集狀態(tài)。

圖14 集料盒示意圖

2 系統(tǒng)工作流程

在該方案中，首先由人工將工件放到存料機(jī)構(gòu)的存料盒中，每個(gè)存料盒可裝工件約600片，磨削速度3～5s/片，可以供料30min左右；一臺(tái)設(shè)備同時(shí)配置有2個(gè)存料盒，工人可以在60～100min上一次料，并且平均更換一個(gè)存料盒的時(shí)間不超過10min，因此一人可看守多臺(tái)機(jī)床。

該系統(tǒng)完整工作流程如下：

首先，存料機(jī)構(gòu)中的工件——玻璃面板薄片由托板托住，托板由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，頂部有推板，推板每推走一片工件到中轉(zhuǎn)區(qū)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)托板即上升一個(gè)工件的厚度。

其次，SCARA機(jī)器人在中轉(zhuǎn)區(qū)拾取工件并放置到定位校正裝置上，校正裝置共有3個(gè)，可以校正3片工件；當(dāng)3片工件全部校正完成后，安裝在校正裝置上方的移載機(jī)就會(huì)吸住3片工件，并將工件一次性移載到同步上料機(jī)構(gòu)；該動(dòng)作完成后，移載機(jī)復(fù)位，等待下一次工作。

工件被放到同步上料機(jī)構(gòu)后，隨動(dòng)插銷在氣缸的作用下不斷下降，電磁吸盤斷電，并與吸附板脫開，待上料盤與送料盤同步后，支撐桿在手指氣缸的作用下打開，工件自動(dòng)落入送料盤載物孔，完成上料；待上料盤轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置，電磁吸盤通電，并將送料盤吸住，擺動(dòng)氣缸啟動(dòng)，將送料盤擺動(dòng)至上料初始位置，由此進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

然后，送料盤將工件帶入磨床中磨削加工，加工完成后，一片一片的產(chǎn)品從導(dǎo)料板滑落至輸送帶，輸送帶再將工件送至輸送帶末端。

最后，SCARA機(jī)器人在視覺系統(tǒng)的引導(dǎo)下將工件拾取并放置到集料盒，集料盒收集滿工件后，由人工取出集料盒，并更換一個(gè)新的集料盒，至此完成一個(gè)完整的上下料流程。

3 結(jié)束語

本文介紹的用于玻璃面板薄片類零件立式雙端面磨床全自動(dòng)上下料設(shè)備，徹底解決了該類零件上料精準(zhǔn)同步的問題，實(shí)現(xiàn)了該類零件的全自動(dòng)化加工生產(chǎn)，有效降低了人工成本，提高效率，使產(chǎn)品質(zhì)量和一致性得到了保證。