內(nèi)置式機(jī)械手柔性加工單元的設(shè)計(jì)

陳維范，薛 丹

（1.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽 110161；2.沈陽機(jī)床股份有限公司，沈陽 110142）

0 引言

國內(nèi)制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平在逐步提高，數(shù)控機(jī)床的上下料由人工轉(zhuǎn)為機(jī)器自動(dòng)化成為必然[1]。柔性加工單元（FMC）可以看作是擴(kuò)大功能的鏜銑或車削加工中心。各種加工中心配上了自動(dòng)裝卸工件、自動(dòng)檢測裝置，就成了FMC[2]。提高機(jī)床自動(dòng)化可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和更好地保證加工精度及其穩(wěn)定性[3]。機(jī)床上下料裝置在提高機(jī)床的自動(dòng)化程度和加工效率，降低人工成本方面發(fā)揮著重要作用[4]。

目前，柔性加工單元較為常見的上下料方式有桁架式機(jī)械手和關(guān)節(jié)式機(jī)械手兩種。這兩種方式一般是一臺(tái)或多臺(tái)車削加工中心配備一臺(tái)機(jī)械手，相對內(nèi)置式機(jī)械手的柔性單元結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、占地面積較大、制造成本較高。

根據(jù)某用戶的需求，在某型車削加工中心的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)置式機(jī)械手柔性加工單元。設(shè)計(jì)了專用夾具，能夠自動(dòng)檢測，實(shí)現(xiàn)精確定位。將原來的轉(zhuǎn)塔刀架改為排刀結(jié)構(gòu)，且可根據(jù)需要在排刀板上安裝動(dòng)力頭。加工單元配備內(nèi)置式機(jī)械手和振動(dòng)料倉，該機(jī)械手采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，上下料一體化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種上下料方式。加工單元還具有自動(dòng)檢測裝置，對于上料過程中產(chǎn)生的安裝位置不符合要求的毛坯件進(jìn)行自動(dòng)檢測，自動(dòng)上下料的時(shí)間控制在10秒鐘以內(nèi)，與人工相比顯著提高了生產(chǎn)效率。

1 工件工藝分析與夾具設(shè)計(jì)

1.1 工藝分析

以該加工單元上加工的一種工件的一道工序?yàn)槔M(jìn)行工藝分析。如圖1(a)所示為毛坯件圖，毛坯件直徑、長度26mm。如圖1(b)所示，為工件圖。

圖1 毛坯件與工件圖

表1 工件加工工序卡

1.2 夾具設(shè)計(jì)

夾具設(shè)計(jì)了定位面和自動(dòng)檢測氣孔，實(shí)現(xiàn)精確定位和自動(dòng)檢測的功能，如圖2所示。自動(dòng)上料裝置可保證夾持毛坯件的端面與機(jī)床主軸垂直，垂直度不大于0.02mm，可以保證毛坯件的定位面與夾具的定位面緊密接觸，由上料裝置與夾具共同保證工件的加工精度。

圖2 夾具圖

2 柔性加工單元的設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)結(jié)構(gòu)

機(jī)床采用45°整體斜床身車，機(jī)床最大回轉(zhuǎn)直徑為φ400，最大切削長度210mm，最大切削直徑為φ160，主電機(jī)功率為11Kw/7.5Kw（30min/連續(xù)），機(jī)床加工精度為IT6，主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)床主機(jī)結(jié)構(gòu)

為了便于上下料機(jī)構(gòu)的安裝，機(jī)床采用排刀結(jié)構(gòu)。排刀板上可安裝刀夾6套，其中：外圓刀夾正、反各一套，端面刀夾正、反各一套，鏜孔刀夾兩套，如圖4所示。用戶根據(jù)需要也可在排刀板上安裝動(dòng)力頭。

圖4 排刀刀架結(jié)構(gòu)圖

2.2 整體方案設(shè)計(jì)

加工單元是在車削加工中心主機(jī)上配置上下料機(jī)構(gòu)，如圖5所示。加工單元具有自動(dòng)檢測裝置，對于上料過程中產(chǎn)生的安裝位置不符合要求的毛坯件進(jìn)行自動(dòng)檢測，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，自動(dòng)停止加工程序，解除故障后自動(dòng)復(fù)位。機(jī)械手的動(dòng)作和機(jī)床程序由I/O信號(hào)連接，實(shí)現(xiàn)上料→加工→下料等連續(xù)加工過程的自動(dòng)化。

上下料機(jī)構(gòu)主要由支架2、料倉3、料道4、閥島5、上料機(jī)械手7、下料機(jī)械手8、滑道9等組成。

振動(dòng)料倉3用支架2安裝在床身1的后側(cè)，料倉的毛坯件容量為500件。毛坯件由料道4輸送至主軸夾具上方指定位置；由下料機(jī)械手8將工件從夾具上卸下，送至安裝在防護(hù)罩10上的滑道9將工件放入料箱；由上料機(jī)械手7抓取料道4出口的毛坯件并放入夾具內(nèi)。閥島5安裝在主軸箱6的上部，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成氣動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)氣缸動(dòng)作。

圖5 柔性加工單元結(jié)構(gòu)圖

2.3 料倉與料道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)料倉通過振動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、有序供料。料倉有選料裝置，根據(jù)毛坯件的加工位置和裝夾方式來判斷毛坯件的開口方向，使毛坯件按照正確開口方向通過。用料道連接振動(dòng)料倉與上料臂，實(shí)現(xiàn)逐個(gè)上料，如圖6所示。

圖6 料倉及料道結(jié)構(gòu)圖

工作過程：首先在料倉1中裝毛坯件；工作中通過3號(hào)傳感器控制料倉給料，毛坯件進(jìn)入料道2后，被5號(hào)裝置擋??；當(dāng)系統(tǒng)要求送料時(shí)，4號(hào)裝置擋料，5號(hào)裝置松開，單個(gè)毛坯件即滾至出料口，然后5號(hào)裝置擋住，4號(hào)裝置松開，毛坯件依次下移，等待下次給料。

2.4 上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖7(a)、圖7(b)所示，分別為上料機(jī)械手和下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖。上下料機(jī)械手通過對9個(gè)氣缸的組合控制，實(shí)現(xiàn)加工單元的自動(dòng)上料、自動(dòng)下料功能。在此過程中，如果料道缺料，檢測開關(guān)將發(fā)出信號(hào)，振動(dòng)料倉將自動(dòng)供料，解除后自動(dòng)復(fù)位。

工作過程：首先將機(jī)械手上電，并設(shè)置為自動(dòng)工作模式，機(jī)床發(fā)出上料信號(hào)后，PLC自動(dòng)檢測料道末端是否有料，如果無料，PLC將控制料道上的擋停料裝置，放下一個(gè)毛坯件；如果有料，5號(hào)氣缸動(dòng)作，在料道出口抓取毛坯件；同時(shí)4號(hào)氣缸動(dòng)作，抵住毛坯件；7號(hào)氣缸動(dòng)作，使9號(hào)氣缸到達(dá)適當(dāng)位置；9號(hào)氣缸動(dòng)作，夾持工件；6號(hào)氣缸動(dòng)作，將工件從夾具中取出；7號(hào)、8號(hào)氣缸同時(shí)動(dòng)作，將工件移出機(jī)床加工區(qū)；9號(hào)氣缸動(dòng)作，將工件放入集料倉；進(jìn)行的同時(shí)，1號(hào)氣缸動(dòng)作，將毛坯件移出料道；2號(hào)氣缸動(dòng)作，將毛坯件與夾具對心；3號(hào)氣缸動(dòng)作，將毛坯件移進(jìn)夾具；5號(hào)氣缸動(dòng)作，松開毛坯件；同時(shí)4號(hào)氣缸推進(jìn)，將毛坯件靠嚴(yán)；待夾具夾緊毛坯件后，4號(hào)、3號(hào)、2號(hào)氣缸復(fù)位；1號(hào)氣缸動(dòng)作，上料機(jī)械手復(fù)位；同時(shí)，7號(hào)氣缸動(dòng)作，下料機(jī)械手復(fù)位，機(jī)床開始加工，一個(gè)加工周期結(jié)束。

圖7 上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)語

內(nèi)置式機(jī)械手柔性加工單元在車削加工中心上加裝料倉、料道和氣動(dòng)上下料機(jī)械手等機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種上下料方式。加工單元還具有自動(dòng)檢測裝置，保證工件加工有序進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)加工過程的自動(dòng)化。每個(gè)工件上下料時(shí)間10s，全部加工時(shí)間27s，其生產(chǎn)效率與人工相比得到顯著提高，滿足了用戶的需求。