桌腿加工設(shè)備自動(dòng)化改造的研究與應(yīng)用

李大偉

（1.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110161；2.遼寧廣播電視大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110034）

0 引言

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)在生產(chǎn)制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，一方面體現(xiàn)在新設(shè)備的研發(fā)，另一方面體現(xiàn)在對(duì)舊設(shè)備的自動(dòng)化升級(jí)與改造。多數(shù)企業(yè)會(huì)考慮將原有設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化的升級(jí)改造。這樣，既可以提高生產(chǎn)設(shè)備的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約企業(yè)勞動(dòng)力資源；又能提高企業(yè)的利潤(rùn)和競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也促進(jìn)企業(yè)自身的進(jìn)步和發(fā)展[1-2]。

1 改造前桌腿加工設(shè)備概況

改造前的設(shè)備是某一規(guī)格桌腿材料的專用生產(chǎn)設(shè)備。工作過(guò)程中，首先由上料液壓缸將待加工原料（方形木料）推到刀具下方，并通過(guò)頂針液壓缸將其固定。在加工過(guò)程中，頂針機(jī)構(gòu)帶動(dòng)方形木料高速旋轉(zhuǎn)，桌腿切割機(jī)設(shè)計(jì)為固定形狀的專用刀具，切割機(jī)按一定速度下降，將原料加工成桌腿成品。雖然桌腿生產(chǎn)專機(jī)設(shè)備滿足了生產(chǎn)的需求，但生產(chǎn)過(guò)程中存在以下問(wèn)題：

（1）設(shè)備缺少成品接收裝置，成品落到地上，地上的木屑會(huì)粘到桌腿上，需要工人將木屑處理并搬運(yùn)到成品存儲(chǔ)區(qū)。

（2）桌腿刀具切割機(jī)加工精度低，加工后的桌腿存在毛刺，邊角地方不圓滑，需要二次打磨加工處理，工作量大。

2 設(shè)備改造計(jì)劃和方案

為了提高設(shè)備生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約設(shè)備投資資金，采用在原有生產(chǎn)設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行自動(dòng)化的升級(jí)改造方案[3-4]。

2.1 改造方案

（1）改造后，桌腿生產(chǎn)線分為一次切割區(qū)、桌腿打磨區(qū)、成品區(qū)3 個(gè)區(qū)域。其生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

（2）在原設(shè)備控制電路上取部分控制信號(hào)，作為與桌腿打磨設(shè)備的信號(hào)交互，實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)控制。

（3）設(shè)計(jì)專用桌腿打磨設(shè)備，完成桌腿打磨功能。打磨裝置設(shè)計(jì)為雙面對(duì)稱打磨功能，提高打磨質(zhì)量；打磨機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為可方便拆卸的獨(dú)立裝置，打磨速度可調(diào)節(jié)。

圖1 桌腿生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)

（4）采用桁架機(jī)械手作為搬運(yùn)單元，實(shí)現(xiàn)桌腿生產(chǎn)線3 個(gè)功能分區(qū)的搬運(yùn)任務(wù)。桌腿切割設(shè)備單個(gè)成品用時(shí)60 s，而桌腿打磨單個(gè)成品用時(shí)90 s，設(shè)計(jì)2 套機(jī)械手裝置，1套用于物料上料，1 套用于成品下料。桁架機(jī)械手停留在桌腿打磨設(shè)備的正上方，使其以最快的速度完成物料切換任務(wù)。

2.2 設(shè)備自動(dòng)化改造后的功能

（1）桌腿切割設(shè)備：采用原有切割設(shè)備，完成桌腿切割任務(wù)。

（2）桌腿打磨設(shè)備：對(duì)原設(shè)備切割完成的桌腿進(jìn)行打磨、二次加工處理，形成合格產(chǎn)品。

（3）桁架機(jī)械手裝置：完成從桌腿切割設(shè)備到桌腿打磨設(shè)備，再到成品區(qū)卸料的往復(fù)搬運(yùn)工作。

（4）產(chǎn)量計(jì)數(shù)功能：完成單日和每月產(chǎn)量計(jì)數(shù)功能。

3 設(shè)備自動(dòng)化改造的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

桌腿加工設(shè)備經(jīng)過(guò)自動(dòng)化改造后，增加了3 個(gè)功能單元，分別是桁架機(jī)械手、桌腿打磨設(shè)備、成品存放貨架。

桁架機(jī)械手由結(jié)構(gòu)框架、運(yùn)動(dòng)軸、氣缸抓手及相關(guān)附件構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)軸為水平移動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)工件的軌跡運(yùn)動(dòng)功能，包括原點(diǎn)起始位、上料位、加工位、下料位、成品放料位；氣缸抓手由伸縮氣缸和夾緊氣缸構(gòu)成，用于完成物料的抓取和放置任務(wù)[5-7]。

桌腿打磨設(shè)備主要由旋轉(zhuǎn)主軸、頂針氣缸、打磨裝置、砂紙滾輪、機(jī)架等構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)主軸用于在桌腿打磨過(guò)程中快速旋轉(zhuǎn)物料，使其打磨均勻；頂針氣缸用于固定桌腿物料；打磨裝置用于帶動(dòng)砂紙滾輪沿著桌腿形狀對(duì)桌腿做打磨軌跡運(yùn)動(dòng)。

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 桌腿打磨控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

桌腿打磨控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。由于桌腿形狀是不規(guī)則的，對(duì)其進(jìn)行打磨加工，需要準(zhǔn)確定位，而且打磨裝置是需要移動(dòng)的，其移動(dòng)軌跡是弧形、非線性的。根據(jù)工藝需求，設(shè)計(jì)兩套桌腿打磨裝置，對(duì)稱放置，每套裝置由3 個(gè)伺服運(yùn)動(dòng)軸構(gòu)成，分別執(zhí)行水平移動(dòng)、前后移動(dòng)和升降移動(dòng)軌跡，總計(jì)需要控制6 個(gè)伺服運(yùn)動(dòng)軸。采用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，圓弧插補(bǔ)等功能。采用雷賽科技的SMC600 運(yùn)動(dòng)控制器，其含有7 路運(yùn)動(dòng)控制軸，并帶有24 路開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入、16 路開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出。其可以控制7路伺服運(yùn)動(dòng)軸；同時(shí)其開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)可以作為主軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)、頂針氣缸和機(jī)械手的交互信號(hào)等控制信號(hào)；輸入信號(hào)可接入傳感器信號(hào)、開(kāi)關(guān)指令信號(hào)等。

4.2 切割機(jī)聯(lián)機(jī)控制硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的完整性和連貫性，桌腿生產(chǎn)過(guò)程中，桌腿切割機(jī)、桌腿打磨設(shè)備與桁架機(jī)械手之間要有一定的信號(hào)交互。切割機(jī)的信號(hào)交互電路如圖3 所示。其信號(hào)功能如下：

（1）桌腿切割完成后，桌腿切割機(jī)應(yīng)保持停止?fàn)顟B(tài)，同時(shí)給控制器發(fā)出取料命令，等待機(jī)械手取料。見(jiàn)圖3 中的信號(hào)1。

（2）機(jī)械手到取料位后，將桌腿物料夾緊，然后PLC 控制器給桌腿切割機(jī)發(fā)取料到位信號(hào)，讓切割機(jī)的頂針退回，見(jiàn)圖3 中的信號(hào)2。

（3）桌腿切割機(jī)頂針退回到位后，給控制器發(fā)出機(jī)械手離開(kāi)命令，桌腿切割機(jī)再次保持停止?fàn)顟B(tài)。該信號(hào)取桌腿切割機(jī)頂針退回到位信號(hào)，見(jiàn)圖3 中的信號(hào)3。

圖2 桌腿打磨控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖3 切割機(jī)信號(hào)交互電路

（4）機(jī)械手離開(kāi)后，到達(dá)安全位置，給桌腿切割機(jī)發(fā)取料完成命令，見(jiàn)圖3 中的信號(hào)4?；謴?fù)頂針退回到位信號(hào)，切割機(jī)可以繼續(xù)正常工作。

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 取料工藝程序

取料工藝流程如圖4 所示。切割機(jī)切料完成后，給控制器發(fā)出取料信號(hào)，機(jī)械手到取料工位取料，到位后，機(jī)械手夾緊，然后給切割機(jī)發(fā)松開(kāi)命令，切割機(jī)松開(kāi)到位后，給控制器發(fā)機(jī)械手離開(kāi)允許信號(hào)，機(jī)械手帶著桌腿原料離開(kāi)，到安全位置等待，并給切割機(jī)發(fā)完成信號(hào)，取料過(guò)程結(jié)束[8-9]。

5.2 桁架機(jī)械手控制程序

桁架機(jī)械手控制流程如圖5 所示。系統(tǒng)上電后，按下復(fù)位按鈕，機(jī)械手先回原點(diǎn)，找到坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)，然后機(jī)械手到安全位置等待。當(dāng)收到取料信號(hào)后，上料機(jī)械手到取料位置取料，取料完成后，到安全位置（打磨設(shè)備上方）等待。當(dāng)打磨設(shè)備處于空閑狀態(tài)時(shí)，上料機(jī)械手伸出，將物料放到桌腿打磨設(shè)備上，打磨設(shè)備上的頂針氣缸將物料固定，上料機(jī)械手松開(kāi)，機(jī)械手返回，上料過(guò)程結(jié)束；若打磨設(shè)備上有加工工件，則等待其加工完成后，下料機(jī)械手伸出，先將加工完成物料取出，再將上料機(jī)械手伸出，將物料放到打磨設(shè)備上，執(zhí)行上料工藝；上料完成后，將下料機(jī)械手移動(dòng)至物料成品區(qū)，到達(dá)后，下料機(jī)械手伸出，松開(kāi)機(jī)械手，將物料放到成品區(qū)，并返回，機(jī)械手返回安全位置等待，下料過(guò)程結(jié)束。

圖4 取料工藝流程

圖5 桁架機(jī)械手控制程序流程

6 結(jié)束語(yǔ)

桌腿加工設(shè)備經(jīng)過(guò)自動(dòng)化的升級(jí)改造后，已在企業(yè)得到實(shí)際應(yīng)用，使用效果較好。其主要體現(xiàn)在：設(shè)備改造后，利用自動(dòng)化手段對(duì)桌腿二次打磨加工，改善了產(chǎn)品質(zhì)量；勞動(dòng)用工方面，原有設(shè)備生產(chǎn)需要3 個(gè)人參與工作任務(wù)，現(xiàn)在只需要1 個(gè)人；原有的單機(jī)設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橄冗M(jìn)的生產(chǎn)線，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)率，為企業(yè)提高了經(jīng)濟(jì)效益。