基于機(jī)器人的汽車半軸鍛造自動(dòng)化設(shè)計(jì)

張小光

摘要：工業(yè)自動(dòng)化作為現(xiàn)代先進(jìn)工業(yè)科學(xué)的核心技術(shù)，是工業(yè)現(xiàn)代化的物質(zhì)基石和重要標(biāo)志，采用工業(yè)機(jī)器人不僅能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量，更能提高生產(chǎn)效率。隨著我國(guó)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)汽車零部件的需求量日益增加。目前汽車半軸的鍛造過程中需要多人協(xié)調(diào)工作，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，所以對(duì)汽車半軸加工過程的自動(dòng)化改造大有益處。本設(shè)計(jì)在不改變油壓機(jī)現(xiàn)有布局位置的前提下，通過對(duì)上料工裝、耐高溫夾具、機(jī)器人的選擇、控制流程的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)汽車半軸鍛造的自動(dòng)化生產(chǎn)。降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)省人力資源、提高生產(chǎn)效率。通過本設(shè)計(jì)為鍛造機(jī)的自動(dòng)化改造提供參照方案，提升自動(dòng)化生產(chǎn)水平。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;鍛造機(jī);自動(dòng)化改造;工業(yè)4.0;集成系統(tǒng)

0? 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，勞動(dòng)力成本越來越高，制造行業(yè)不得不迎來全面的自動(dòng)化改型變革，機(jī)器人也隨之加速進(jìn)入制造行業(yè)[1]。使用機(jī)器人替代人工已在各個(gè)行業(yè)逐漸展開，尤其是在勞動(dòng)環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大、節(jié)拍快、制造精度高的行業(yè)[2-3]。汽車半軸制造主要包括加熱、鍛造兩個(gè)工序，本設(shè)計(jì)通過對(duì)加熱爐和鍛造機(jī)的控制程序進(jìn)行改造，增加上料臺(tái)、機(jī)器人和下料臺(tái)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，節(jié)約人工成本，降低燙傷等風(fēng)險(xiǎn)。

1? 總體布局模型

總布局圖1中主要有油壓機(jī)、上料機(jī)構(gòu)、加熱爐、夾鉗、機(jī)械手和傳輸架，通過上次對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的尺寸測(cè)量和實(shí)際情況確定上述布局方案。通過對(duì)加熱爐的位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，將機(jī)械手放在油壓機(jī)和加熱爐中間的適當(dāng)位置，這樣不僅可以確保各個(gè)工序在機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)范圍之內(nèi)，而且減小機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)行程，提高加工節(jié)拍[4]。

2? 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

2.1 上料機(jī)構(gòu)

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，由于半軸棒料放在加熱爐左側(cè)的位置，半軸棒料較長(zhǎng)，移動(dòng)加熱爐之后，空間不足，棒料的擺放位置受到限制，所以上料機(jī)構(gòu)的高度要高于加熱爐中棒料的水平高度，讓機(jī)械手從上方抓取棒料，然后放進(jìn)加熱爐中。

上料機(jī)構(gòu)中主要包括支架、滑臺(tái)、傳感器、電機(jī)和傳送帶等，利用電機(jī)帶動(dòng)滑臺(tái)進(jìn)行傳動(dòng)。安裝一個(gè)傳感器，傳感器檢測(cè)機(jī)械手所要夾持的位置是否有棒料，如果有棒料會(huì)給機(jī)械手一個(gè)信號(hào)，可以?shī)A持棒料。

2.2? 夾鉗

在本項(xiàng)目因?yàn)橛蛪簷C(jī)放棒料的位置較深、棒料較重，油壓機(jī)深處達(dá)到440mm，而且放料口較窄，開口的大小為200mm，所以使用的夾具必須細(xì)長(zhǎng)，才能滿足機(jī)械手能把棒料夾住并放進(jìn)油壓機(jī)中。

加工的棒料最重為m棒=40kg，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的最大加速度為a=0.5g，通過資料查的鋼與鋼的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為u=0.15，經(jīng)過計(jì)算得出最小夾持力為3920N。

本項(xiàng)目采用兩個(gè)夾具，安裝在同一鋼板上，單個(gè)夾鉗最大夾持力為220kg，兩個(gè)夾鉗的最大夾持力為4312N，大于最重棒料所需要的夾持力。

2.3 傳輸架

本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的傳輸架總長(zhǎng)度為2500mm，寬度300mm，采用伺服電機(jī)控制，同步帶寬度50mm，輸送能力50KG，定位精度0.1mm。

3? 控制過程

3.1 控制流程

汽車半軸的自動(dòng)化設(shè)備主要體現(xiàn)在自動(dòng)上料、機(jī)械手夾取棒料、給加熱爐送料、把加熱好的棒料放入油壓機(jī)中、取出油壓機(jī)中的棒料、輸送到下一工序。具體的機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)過程及加工工序的流程圖如圖5所示。

3.2 所用傳感器

①上料機(jī)構(gòu)：主要是控制升降氣缸和檢測(cè)上料機(jī)構(gòu)末端是否有棒料放入，傳遞給機(jī)械手一個(gè)信號(hào)[5]。②加熱爐：檢測(cè)加熱孔是否有棒料，控制機(jī)械手放棒的位置，確保不損壞加熱爐。③油壓機(jī)液壓夾緊裝置：主要是檢測(cè)棒料是否被夾緊，加緊之后傳遞給機(jī)械手繼續(xù)下一個(gè)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)。④油壓機(jī)升降柱：升降柱抬起之后，機(jī)械手夾取棒料，液壓夾緊裝置松開，取出棒料。⑤氣動(dòng)夾具處：檢測(cè)夾具是否夾緊棒料。

3.3 加工節(jié)拍

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際尺寸的測(cè)量，按照現(xiàn)有布局的實(shí)際情況，對(duì)運(yùn)動(dòng)節(jié)拍進(jìn)行了模擬，對(duì)上料機(jī)構(gòu)到加熱爐、加熱爐到油壓機(jī)、油壓機(jī)到上料機(jī)構(gòu)、油壓機(jī)到傳輸架、傳輸架到加熱爐進(jìn)行了實(shí)際的模擬。計(jì)算出來整個(gè)工序的時(shí)間為41.44秒，相比目前人工180秒的時(shí)間縮短了很長(zhǎng)時(shí)間，極大的提高了生產(chǎn)效率。

4? 結(jié)語

通過本設(shè)計(jì)，提高了企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)水平，實(shí)現(xiàn)汽車半軸的自動(dòng)化生產(chǎn)。機(jī)器人取代人工生產(chǎn)具有以下方面的優(yōu)勢(shì)：①節(jié)約操作工人數(shù)：通過自動(dòng)化設(shè)備的使用能夠減少本工序的用工人數(shù)，從原先的該工序需要6人，減少到使用一名工人。②提高生產(chǎn)效率：機(jī)械手作業(yè)與人不同之處在于，機(jī)械手可以24小時(shí)不停歇的作業(yè)，提高生產(chǎn)產(chǎn)量[6]。③保證產(chǎn)品質(zhì)量：機(jī)械手的精度較高，重復(fù)定位精度達(dá)到正負(fù)0.06mm，遠(yuǎn)高于人工作業(yè)的精度。④降低勞動(dòng)強(qiáng)度：汽車半軸棒料的質(zhì)量為10-40kg，每天生產(chǎn)量在1000多個(gè)，對(duì)于勞動(dòng)者來說，勞動(dòng)強(qiáng)度過高，使用機(jī)械手自動(dòng)設(shè)備之后能夠減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。⑤提高企業(yè)的自動(dòng)化水平：自動(dòng)化是衡量制造業(yè)水平的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，引進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備不僅能夠提升加工制造的實(shí)力，而且能夠增加產(chǎn)能[7]。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉建光，李仕威，段海峰.應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控車床的自動(dòng)化改造設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2017（6）：79-80.

[2]陶婕.工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床中的運(yùn)用實(shí)踐研究[J].科技風(fēng)，2020（07）：165-166.

[3]陸晨芳，宋鵬，丁中華.基于工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控車床的自動(dòng)上下料工作站[J].機(jī)械制造，2019，57（12）：45-47.

[4]陳運(yùn)軍.基于工業(yè)機(jī)器人的“智能制造”柔性生產(chǎn)線設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2017，39（08）：55-57.

[5]徐永謙，周謙，羅俏.多數(shù)控機(jī)床機(jī)器人上下料系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓，2015，43（15）：47-50.

[6]李平，陳啟愉，段先云，陳浩，鄧志文，廖菲.基于工業(yè)機(jī)器人的板材自動(dòng)上下料系統(tǒng)研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2016，45（08）：4-6.

[7]陳婷婷.4R多關(guān)節(jié)輪轂加工上下料機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分析與研究[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2012.