轉(zhuǎn)子軸自動(dòng)化生產(chǎn)線及其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

杜原

海德曼（上海）自動(dòng)化技術(shù)有限公司 上海 201413

引言

目前，我國(guó)理論框架、實(shí)現(xiàn)技術(shù)條件等方面，還處于初級(jí)階段，為了提升產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量及效率，就要加強(qiáng)對(duì)機(jī)床設(shè)備的自動(dòng)化改造，科學(xué)設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，依據(jù)工藝過(guò)程設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的機(jī)床功能，這種設(shè)計(jì)形式也會(huì)逐漸推廣，為用戶(hù)提供個(gè)性化定制服務(wù)，達(dá)到無(wú)人化生產(chǎn)目標(biāo)[1]。

1 自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

1.1 做好工藝流程分析

數(shù)控機(jī)床主要用于加工螺紋、回轉(zhuǎn)類(lèi)型的零件，通過(guò)加工賦予工件回轉(zhuǎn)特征的表面，如零件的端面、內(nèi)孔、外圓、內(nèi)孔槽等，要想將毛坯工件加工得到成品，就需要展開(kāi)合理的工藝流程分析，確定機(jī)床的規(guī)格，粗加工、半精加工、精加工采用的機(jī)床規(guī)格都存在一定的差異，準(zhǔn)備足夠的機(jī)床臺(tái)數(shù)才能得到足夠的產(chǎn)能，這就突出了工藝分析的重要性，在機(jī)床自動(dòng)化改造過(guò)程中也要關(guān)注這一點(diǎn)，這樣才能得到重要的指標(biāo)，包括切削力、切削功率等。

1.2 充分了解車(chē)床結(jié)構(gòu)

在機(jī)床的自動(dòng)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，必然會(huì)對(duì)車(chē)床進(jìn)行修改，可能會(huì)選擇拆卸零件，也可能會(huì)安裝新的零件，這就需要先充分了解車(chē)床的結(jié)構(gòu)，掌握所有關(guān)聯(lián)零件的重要數(shù)據(jù)內(nèi)容，包括尺寸、連接方式等。在正式設(shè)計(jì)之前，要先對(duì)參數(shù)指標(biāo)有著一定的了解，找到當(dāng)前車(chē)床存在的缺陷問(wèn)題，這樣才能為后續(xù)改造提供基本方案。

1.3 結(jié)合需求制定設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過(guò)前期的調(diào)查研究，了解機(jī)床現(xiàn)狀、工藝以后，可以參考當(dāng)前規(guī)格，確定自動(dòng)化改造需要的零件，包括型號(hào)、數(shù)量等基本信息[2]。在設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，要運(yùn)用到大量的零件、采購(gòu)件，包括軸承、刀架、絲杠等，改造過(guò)程中，還需要準(zhǔn)備變頻器、驅(qū)動(dòng)的電機(jī)、強(qiáng)電元器件等。自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)主要從輔助支撐、專(zhuān)用卡具、高壓沖屑等方面入手，解決機(jī)床原來(lái)存在的問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，提高機(jī)床生產(chǎn)的效率及質(zhì)量。

2 轉(zhuǎn)子軸自動(dòng)化生產(chǎn)線與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例分析

2.1 設(shè)計(jì)要求及節(jié)拍分析

由于中國(guó)制造2025已經(jīng)開(kāi)始逐步實(shí)施，為控制整個(gè)轉(zhuǎn)子軸生產(chǎn)的成本費(fèi)用，某公司需設(shè)計(jì)一條轉(zhuǎn)子軸自動(dòng)生產(chǎn)線用于生產(chǎn)轉(zhuǎn)子軸160、轉(zhuǎn)子軸180及轉(zhuǎn)子軸200，轉(zhuǎn)子軸（160、180、200）自動(dòng)生產(chǎn)線，三種零件OP30序跳動(dòng)要求按照0.025mm以?xún)?nèi)進(jìn)行考核，最小尺寸精度公差0.005mm按照0.013mm作為考核要求。

2.2 設(shè)備選擇及布局概述

該轉(zhuǎn)子軸自動(dòng)化單元項(xiàng)目由4臺(tái)數(shù)控車(chē)床、1套自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備、2臺(tái)關(guān)節(jié)機(jī)器人、1套上料倉(cāng)、1套下料倉(cāng)、1套中轉(zhuǎn)料倉(cāng)、1套工件翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、專(zhuān)用夾具等組成。產(chǎn)線布局如下圖1所示，數(shù)控車(chē)床選擇T60/750和T65M-750，T60/750和T65M-750主軸采用大功率、大扭矩、高速、高精度內(nèi)置同步電主軸結(jié)構(gòu)，適合加工各種零件，低速特性好，適合C軸切削，刀塔采用伺服電機(jī)分度、牙盤(pán)定位、液壓夾緊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)采用德國(guó)SIEMENS828D數(shù)控系統(tǒng)，具有換刀速度快，定位精度高，刀塔內(nèi)部全密封，轉(zhuǎn)位無(wú)抬升，精確穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)備布局

自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)備布局如圖1所示，工工藝設(shè)計(jì)如下：

第一步：將毛坯擺放到上料倉(cāng)里，關(guān)節(jié)機(jī)械手進(jìn)行抓取毛坯件。

第二步：機(jī)械手移動(dòng)到OP10機(jī)床門(mén)前，待機(jī)床門(mén)打開(kāi)后，取下一序半成品工件，換上毛坯件。機(jī)械手退出機(jī)床后關(guān)門(mén)，OP10開(kāi)始加工。

第三步：經(jīng)過(guò)翻轉(zhuǎn)后，機(jī)械手移動(dòng)到OP20門(mén)前，待機(jī)床門(mén)打開(kāi)后，取下二序半成品，換上一序半成品。機(jī)械手退出機(jī)床后關(guān)門(mén)，OP20開(kāi)始加工。

第四步：機(jī)械手將二序半成品放到中轉(zhuǎn)料倉(cāng)上，進(jìn)行轉(zhuǎn)序。

第五步：另一臺(tái)機(jī)械手抓取二序半成品，并移動(dòng)到OP30門(mén)前，待機(jī)床門(mén)打開(kāi)后，取下成品，換上二序半成品。機(jī)械手退出機(jī)床后關(guān)門(mén)，OP30開(kāi)始加工。

第五步：檢測(cè)。

第六步：成品下料。

2.3 自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備用于產(chǎn)品關(guān)鍵特性的測(cè)量存儲(chǔ)，同時(shí)可以對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制及后期追溯，并可與機(jī)床聯(lián)機(jī)。動(dòng)作流程如下：工件放置→ 感應(yīng)器感應(yīng)工件 →工件移到內(nèi)徑測(cè)量工位→ 內(nèi)徑測(cè)量并保存數(shù)據(jù) → 內(nèi)徑測(cè)量機(jī)構(gòu)關(guān)閉 → 工件移到外徑測(cè)量工位→ 外徑測(cè)量并保存數(shù)據(jù) → 外徑測(cè)量機(jī)構(gòu)關(guān)閉→ 工件移到原始位置。最后電腦綜合評(píng)估數(shù)據(jù)并反饋到機(jī)械手，如是次品，把工件放在次品盒里邊，如是良品，把工件傳到良品盒里邊。

2.4 自動(dòng)化產(chǎn)線設(shè)計(jì)難點(diǎn)解決

在明確產(chǎn)線自動(dòng)化設(shè)計(jì)難點(diǎn)后，將其作為后續(xù)方案設(shè)計(jì)的主要方向，這樣才能解決機(jī)床存在的缺陷問(wèn)題，同時(shí)也可以提高機(jī)床的自動(dòng)化水平，提高生產(chǎn)的效率及質(zhì)量，下面機(jī)械結(jié)構(gòu)改造方案設(shè)計(jì)主要從輔助支撐、專(zhuān)用卡具、鐵屑處理三大方面入手。

2.4.1 增加輔助支撐。根據(jù)前期的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，機(jī)床生產(chǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸時(shí)，卡裝難度相對(duì)較高，為此決定采取增加輔助支撐的方式，解決卡裝難題。機(jī)床本身?yè)碛兴欧沧墓δ?，選擇在座體上設(shè)置輔助支撐?？紤]到以往項(xiàng)目嘗試過(guò)增加輔助支撐的方法，擁有一定的經(jīng)驗(yàn)。在改進(jìn)結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，如果選擇平面的輔助支撐結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)時(shí)間加工后積累大量的鐵屑，為此選擇斜面結(jié)構(gòu)，并且增加傾斜角度，對(duì)于尖角結(jié)構(gòu)的部分，還額外設(shè)置了鈑金防護(hù)，在保證直徑方向調(diào)節(jié)功能的基礎(chǔ)上，同時(shí)還增加了軸向調(diào)節(jié)功能，考慮到實(shí)際需求，可以先調(diào)整支腳的具體位置，然后在固定處理，這樣就增加了該裝置的通用性能。同時(shí)，在機(jī)床主軸箱上，也設(shè)置同樣的結(jié)構(gòu)，這樣可以為關(guān)節(jié)機(jī)器人提供一定的便利，可以依靠機(jī)器人放置轉(zhuǎn)子軸的坯料，利用兩支撐腳放置胚料，之間間隔一定的距離，最后尾座頂尖頂起，胚料可以進(jìn)入到夾具斷面上，最后完成夾緊、車(chē)削等工序，這樣就可以大幅度降低裝卡的難度，解決原來(lái)存在的技術(shù)難題，同時(shí)關(guān)節(jié)機(jī)器人可以提升機(jī)床工作效率及質(zhì)量。

2.4.2 專(zhuān)用卡具設(shè)計(jì)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的中實(shí)卡盤(pán)、中空卡盤(pán)，都需要依靠硬爪抓起工件，如果選擇標(biāo)準(zhǔn)卡盤(pán)及油缸，操作時(shí)就需要利用關(guān)節(jié)機(jī)器人完成翻轉(zhuǎn)工作，但是實(shí)際生產(chǎn)的長(zhǎng)軸類(lèi)零件翻轉(zhuǎn)難度較高，翻轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)與其他機(jī)構(gòu)干涉碰撞的現(xiàn)象，這就無(wú)法完成高效加工，而長(zhǎng)軸類(lèi)零件通常擁有較高的加工精度。為此，尋找多家適合的生產(chǎn)廠家，都沒(méi)有達(dá)到生產(chǎn)需求，最后選擇一家韓國(guó)企業(yè)，完成合作，選擇專(zhuān)門(mén)的裝夾工具，經(jīng)過(guò)合理的溝通交流，雙方商討后最終選擇雙活塞油缸+端驅(qū)形式專(zhuān)用卡盤(pán)的方案，在精車(chē)的過(guò)程中，采用硬爪夾緊轉(zhuǎn)子軸，在進(jìn)入到精車(chē)環(huán)節(jié)以后，自動(dòng)松開(kāi)硬爪，在卡盤(pán)端面上設(shè)置楔形頂桿，推動(dòng)后可以頂緊轉(zhuǎn)子軸的端面，工件就可以進(jìn)入到一個(gè)高速回轉(zhuǎn)的狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程中，硬爪也會(huì)自動(dòng)避讓?zhuān)粫?huì)對(duì)工件回轉(zhuǎn)產(chǎn)生干擾，同時(shí)也可以完成車(chē)削交工的環(huán)節(jié)，不會(huì)涉及轉(zhuǎn)子軸的翻轉(zhuǎn)問(wèn)題。通過(guò)上述設(shè)計(jì)，可以解決原來(lái)的翻轉(zhuǎn)問(wèn)題，提高加工的效率及質(zhì)量。

2.4.3 鐵屑處理。在精車(chē)過(guò)程中，每轉(zhuǎn)進(jìn)刀量在0.005-0.05之間，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的卷屑，如果處理不夠及時(shí)，就會(huì)對(duì)工件表面產(chǎn)生不小的破壞，為了避免出現(xiàn)上述問(wèn)題，就需要科學(xué)處理這一部分的卷屑，為此考慮高壓沖屑的方式，在卷屑比較細(xì)小的情況下，甚至可以實(shí)現(xiàn)高壓斷屑，根據(jù)實(shí)際的鐵屑處理需求，定制專(zhuān)門(mén)的70Bar高壓水系統(tǒng)，管路都專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，可以快速輸送高壓水，一直到刀塔內(nèi)，再進(jìn)入到車(chē)刀座、車(chē)刀內(nèi)，對(duì)車(chē)削加工位置集中沖刷處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)生鐵屑的高效斷屑處理，確保工件上不會(huì)遺留任何的鐵屑，在加工以后，也不會(huì)出現(xiàn)鐵屑纏繞的現(xiàn)象。

2.5 項(xiàng)目成果

經(jīng)過(guò)一系列的規(guī)劃設(shè)計(jì)，項(xiàng)目的改造成果具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，增加輔助支撐裝置。利用新設(shè)計(jì)的輔助支撐裝置可以更方便地完成工件的裝卡，降低技術(shù)難度。第二，設(shè)計(jì)專(zhuān)用卡具。可以讓工件在精車(chē)階段高速回轉(zhuǎn)，避讓轉(zhuǎn)子軸，不需要額外的翻轉(zhuǎn)處理解決原來(lái)的翻轉(zhuǎn)難題。第三，高壓沖屑。采用高壓水系統(tǒng)沖洗處理以后，可以保證工件干凈整潔，不會(huì)再次受到鐵屑的破壞。第四，機(jī)內(nèi)裝料。保證卡盤(pán)定位面清潔干凈，擁有穩(wěn)定可靠的監(jiān)測(cè)功能，保持良好的氣密性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于轉(zhuǎn)子軸自動(dòng)化加工單元展開(kāi)研究，提出對(duì)于數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)自動(dòng)化改進(jìn)的觀點(diǎn)。首先要依靠輔助支撐解決裝卡工件的問(wèn)題，這樣還可以為夾緊、車(chē)削環(huán)節(jié)提供一定的便利，接下來(lái)則是依靠專(zhuān)用的卡具，采取雙活塞油缸+端驅(qū)形式專(zhuān)用卡盤(pán)方案，徹底解決翻轉(zhuǎn)問(wèn)題，機(jī)床后續(xù)生產(chǎn)不涉及翻轉(zhuǎn)問(wèn)題，最后則是配置高壓水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵屑的沖刷處理，解決原來(lái)的刮碰、纏繞問(wèn)題。通過(guò)系列的規(guī)劃，設(shè)計(jì)出大量專(zhuān)用的機(jī)械結(jié)構(gòu)，改造后展開(kāi)試運(yùn)行，證明改造方案可行，順利解決轉(zhuǎn)子軸類(lèi)機(jī)床缺陷問(wèn)題，希望可以為今后轉(zhuǎn)子軸的自動(dòng)化產(chǎn)線設(shè)計(jì)提供一定的參考借鑒。