鼓式剎車片加工自動生產(chǎn)線的設(shè)計與實現(xiàn)

朱飛虎，唐方紅

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，東莞 523808）

0 引言

汽車后輪一般采用鼓式制動器進(jìn)行剎車制動，鼓式制動器由剎車底板、剎車分泵、剎車片及彈簧等附件組成。其成本低，絕對制動力強(qiáng)、剎車效果好。

圖1 產(chǎn)品圖

剎車片原材料的組成一般分為粘結(jié)劑、增強(qiáng)纖維、摩擦性能調(diào)節(jié)劑、填料四大部份，其加工工藝包含：配料、冷壓、熱壓成型、機(jī)械加工。其機(jī)械加工又包含了磨削和鉆孔加工，具體包括外圓磨、內(nèi)弧磨、端面磨、倒角磨及鉆孔加工。作為汽車行業(yè)的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，剎車片目前主要還是人工加工。在加工過程中，主要問題有產(chǎn)品重，生產(chǎn)效率低、加工噪聲大，而且從其材料可知，其加工過程粉塵飛揚(yáng)，環(huán)境惡劣，特別是其粉塵含有纖維等復(fù)合材料，吸入肺部對人身體傷害極大。

目前國內(nèi)外對鼓式剎車片相關(guān)的研究付諸文獻(xiàn)的，主要體現(xiàn)在剎車片的材料及成型工藝等方面，如杜孟子提到一種采用增強(qiáng)纖維納凱夫改善鼓式剎車片特性的方法，王宜龍?zhí)岬揭环N剎車片熱壓成型機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計等等，目前尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于鼓式剎車片實現(xiàn)加工自動化的具體研究見諸文獻(xiàn)。本文提出了一種針對鼓式剎車片實現(xiàn)自動化加工的解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)人工在加工區(qū)外將產(chǎn)品放置到上料機(jī)上，而自動線進(jìn)行自動上料，真空吸附、自動導(dǎo)正、自動旋轉(zhuǎn)對位、自動翻轉(zhuǎn)、自動下料等動作，以無人化操作方式實現(xiàn)全自動外圓磨、內(nèi)弧磨、端面磨、倒角磨及鉆孔加工，加工完成自動實現(xiàn)下料。整個方案基于機(jī)械自動化技術(shù)和機(jī)電控制技術(shù)，通過對現(xiàn)有的剎車片加工工藝進(jìn)行改造，采用分站控制+組網(wǎng)結(jié)合模式，高效完成了自動上料、自動磨削、自動鉆孔及自動下料等工作，只需定期喂料，無需專人操作，實現(xiàn)了整個自動化的加工過程。

1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

鼓式剎車片加工自動線是一條典型的傳統(tǒng)產(chǎn)品改造升級的自動化生產(chǎn)線，它基于鼓式剎車片的生產(chǎn)工藝，融合了機(jī)械自動化、伺服控制、PLC控制等技術(shù)，以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。整條生產(chǎn)線可分前后兩部分，前段部分為磨削加工，后段部分為鉆孔加工，中間有中轉(zhuǎn)桁架連接。具體可分為自動供料機(jī)、外圓磨上料機(jī)及外圓磨床、內(nèi)弧磨上料機(jī)及內(nèi)弧磨床、端面磨上料機(jī)及端面磨床、倒角磨上料機(jī)及倒角磨床、倒角磨下料機(jī)、中轉(zhuǎn)桁架、伺服鉆孔機(jī)、送料桁架、自動收料機(jī)等。整條線呈U型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中四種磨床和伺服鉆孔機(jī)為原來的加工設(shè)備，其他均為本自動線新設(shè)計的設(shè)備。整線自動化設(shè)備較多，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，限于篇幅所致，不能逐一說明，現(xiàn)僅就以下幾種進(jìn)行描述。

圖2 鼓式剎車片加工自動線

自動供料機(jī)主要實現(xiàn)鼓式剎車片的自動上料功能。其結(jié)構(gòu)包含送料上料軌道、伺服電機(jī)、鏈條鏈輪、產(chǎn)品推塊、頂料氣缸、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及相關(guān)檢測元件，其中翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由翻轉(zhuǎn)氣缸、彈性卡位裝置、光電檢測裝置等構(gòu)成。剎車片擺放在上料軌道，由伺服電機(jī)驅(qū)動鏈輪帶動產(chǎn)品推塊推動產(chǎn)品前進(jìn)，推塊的固定方式?jīng)]有采用普通的剛性連接，而是采用強(qiáng)磁吸合模式，既能夠推動產(chǎn)品在軌道前進(jìn)，又能夠避免產(chǎn)品卡住導(dǎo)致電機(jī)過載報警。正常情況下產(chǎn)品在伺服電機(jī)驅(qū)動相應(yīng)機(jī)構(gòu)動作而前進(jìn)，當(dāng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的光電檢測裝置檢測到位后則停止，如萬一出現(xiàn)卡料情況，推塊受到產(chǎn)品的阻力大于強(qiáng)磁吸力，而推塊與鏈條推動機(jī)構(gòu)脫離，接近開關(guān)檢測到該情況后即控制聲光報警。當(dāng)產(chǎn)品被推塊將其擠入彈性卡位裝置后，被光電檢測裝置檢測到，一方面停止伺服電機(jī)送料，另一方面則允許翻轉(zhuǎn)氣缸翻轉(zhuǎn)。在翻轉(zhuǎn)完成后頂料氣缸及時頂出，避免產(chǎn)品倒下。為了提高生產(chǎn)效率，設(shè)計了兩組上料機(jī)構(gòu)，當(dāng)一組機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品全部取完后，系統(tǒng)自動切換到另外一組，以避免停機(jī)上料。

外圓磨上料機(jī)的功能主要是從自動上料機(jī)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上取出產(chǎn)品，然后放置到外圓磨上料位置處，其結(jié)構(gòu)包含了平移伺服機(jī)構(gòu)、升降伺服機(jī)構(gòu)、伺服旋轉(zhuǎn)電缸、真空吸附裝置、產(chǎn)品正反檢測裝置等。真空吸附裝置安裝在伺服旋轉(zhuǎn)電缸上，伺服旋轉(zhuǎn)電缸又固定在升降伺服機(jī)構(gòu)上，而平移伺服機(jī)構(gòu)則帶動升降伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動。因為產(chǎn)品厚度為一邊厚一邊薄，在自動供料機(jī)的軌道中需要正反錯位放置，否則造成產(chǎn)品往一邊偏斜而無法放正。因此需要檢測當(dāng)前產(chǎn)品放置方向而在吸附產(chǎn)品上升到位后控制旋轉(zhuǎn)電缸是正旋90°還是反旋90°。調(diào)整位置后再由移動至外圓磨上料位置處并推入外圓磨以進(jìn)行加工。

在端面磨上料機(jī)和倒角磨下料機(jī)中，由于工藝原因，需對產(chǎn)品進(jìn)行自動翻轉(zhuǎn)，因此需要進(jìn)行翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計。以端面磨上料機(jī)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為例，為了簡化結(jié)構(gòu)采用吸盤吸附產(chǎn)品后再由旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動進(jìn)行翻轉(zhuǎn)180°，如圖3所示。產(chǎn)品通過真空吸盤吸附在真空吸盤固定座上，而真空吸盤固定座則由旋轉(zhuǎn)臂、旋轉(zhuǎn)連接塊固定在旋轉(zhuǎn)氣缸的輸出軸上。為了限位，還增設(shè)了旋轉(zhuǎn)活動定位塊、旋轉(zhuǎn)固定定位塊、定位螺栓等零件，以保證旋轉(zhuǎn)位置的一致性。整套機(jī)構(gòu)由由旋轉(zhuǎn)氣缸固定板和設(shè)備相連接。為降低扭矩及慣量則需要盡可能縮短翻轉(zhuǎn)的力臂；另外產(chǎn)品長度以及翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和取料平臺的干涉問題又約束力臂不能太短，需要在設(shè)計中不斷優(yōu)化而取得合適值。考慮到載荷較重原因，需要從扭矩和慣量兩方面對旋轉(zhuǎn)氣缸選型校核。從圖中可以看出該結(jié)構(gòu)屬于異形件，包含多種零件，需要逐一進(jìn)行分解計算，過程非常復(fù)雜。

圖3 端面磨上料機(jī)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

為了減少工作量，提高設(shè)計效率，采用了SolidWorks軟件來計算扭矩及慣量。通過在旋轉(zhuǎn)中心建立一個坐標(biāo)系，設(shè)置與旋轉(zhuǎn)軸重合的為X向，并設(shè)置對應(yīng)材質(zhì)。點擊質(zhì)量屬性，軟件自動計算，從列表中可查出換算到X軸的轉(zhuǎn)動慣量為Ixx=0.44Kg/m2，同時計算扭矩為16.8N·m，如表一所示。根據(jù)以上參數(shù)及實際情況，選擇了SMC公司的大扭矩旋轉(zhuǎn)氣缸CDRA1BS80。

表1 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)質(zhì)量屬性計算表

2 系統(tǒng)工作過程

鼓式剎車片加工自動線的工作過程包含自動供料、外圓磨上料、內(nèi)弧磨上料、端面磨上料、倒角磨上料、倒角磨下料、產(chǎn)品中轉(zhuǎn)、伺服鉆孔上下料、自動收料等部分。限于篇幅，僅就自動供料、端面磨上料進(jìn)行描述。

自動供料主要由自動供料機(jī)實現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)啟動后，自動供料機(jī)即開始自動運(yùn)行，系統(tǒng)驅(qū)動當(dāng)前工作流道的的伺服電機(jī)運(yùn)動，帶動推塊推動產(chǎn)品前進(jìn)，將產(chǎn)品壓入到彈性卡位裝置中。當(dāng)光電檢測裝置檢測到產(chǎn)品后，伺服電機(jī)停止。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動作，將卡住的產(chǎn)品由站立狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為凹面朝上的水平狀態(tài)，然后通知外圓磨上料機(jī)過來取料。當(dāng)產(chǎn)品被取走后，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)復(fù)位，伺服電機(jī)繼續(xù)推動產(chǎn)品前進(jìn)，以開始下一個循環(huán)。當(dāng)伺服電機(jī)驅(qū)動推塊前進(jìn)觸發(fā)到末端感應(yīng)器后，伺服電機(jī)反向運(yùn)動，以回到初始位置，然后聲光報警，提示操作員當(dāng)前流道已空需要添加待加工的產(chǎn)品。同時系統(tǒng)自動將當(dāng)前流道切換到另外一條流道以繼續(xù)工作。當(dāng)操作員將新的待加工產(chǎn)品擺放到空流道，并按下上料按鈕后，系統(tǒng)自動記憶上料完成。當(dāng)前流道加工完成后則自動切換到已經(jīng)上料完成的流道，如此實現(xiàn)連續(xù)工作而不需停機(jī)上料。

端面磨上料需要從內(nèi)弧磨床出料位置吸取產(chǎn)品，然后進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，以將產(chǎn)品姿態(tài)由凹面朝上轉(zhuǎn)化為凸面朝上，再將其放置到端面磨上料機(jī)的上料位置。系統(tǒng)啟動后，當(dāng)檢測到內(nèi)弧磨床出料位置存在產(chǎn)品后，取料機(jī)構(gòu)即平移下降到取料位置，通過真空發(fā)生器產(chǎn)生真空以吸附產(chǎn)品，因為實際上產(chǎn)品吸附面為弧面，且高度及變形等存在偏差，可能導(dǎo)致真空吸盤與產(chǎn)品之間不緊密接觸而導(dǎo)致真空度較低而吸附失敗，系統(tǒng)根據(jù)真空檢測信號在一定范圍內(nèi)自動調(diào)整下降行程，以保證可靠吸附。然后取料機(jī)構(gòu)上升平移一段行程后，且放料機(jī)構(gòu)處于安全位置則取料機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)，等待放料機(jī)構(gòu)過來取走已經(jīng)調(diào)整姿態(tài)后凸面朝上的產(chǎn)品。當(dāng)放料機(jī)構(gòu)上產(chǎn)品為空時，且取料機(jī)構(gòu)已經(jīng)翻轉(zhuǎn)到位則放料機(jī)構(gòu)平移下降吸附產(chǎn)品，同時取料機(jī)構(gòu)真空釋放以便讓放料真空更好的吸附產(chǎn)品，放料機(jī)構(gòu)將產(chǎn)品取走移動到端面磨上料位置，等待鏈條推塊移動到合適位置的放料時機(jī)以放料，同時取料機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)復(fù)位，以準(zhǔn)備下一個循環(huán)的取料。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

從生產(chǎn)的實際出發(fā)，在控制系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)路線上，主要考慮以下因素：

1）整個系統(tǒng)采用分布式控制模式，即每臺自動化設(shè)備擁有自己的控制系統(tǒng)，可分散獨(dú)立控制也可連線自動控制；

2）因線體過長，設(shè)備較多，采用兩組主控界面更方便操作。如前所述整個系統(tǒng)可分前后兩部分，前段部分為磨削加工，后段部分為鉆孔加工。因此其控制系統(tǒng)也分成磨削加工和鉆削加工兩部分，彼此通過通訊交互數(shù)據(jù)；

3）各站PLC的選擇根據(jù)實際需求，2軸及以下伺服控制的采用三菱FX3UPLC，2～4軸采用三菱FX5U；

4）PLC之間采用RS485組網(wǎng)模式，前段部分以倒角磨下料機(jī)控制系統(tǒng)的PLC作為主站；后段部分以鉆孔桁架控制系統(tǒng)的PLC作為主站。

系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制框圖

在自動線的各個PLC控制程序設(shè)計中，均采用模塊化設(shè)計思路。各個控制系統(tǒng)均由初始化模塊、狀態(tài)監(jiān)控模塊、原點搜索模塊、手動模塊、參數(shù)模塊、自動模塊、通訊模塊及故障自診斷模塊等組成。其中初始化模塊則在對系統(tǒng)上電時基本參數(shù)進(jìn)行初始化；狀態(tài)監(jiān)控模塊則實時采集當(dāng)前各軸的位置速度參數(shù)，并將當(dāng)前IO狀態(tài)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)寄存器狀態(tài)，以利通訊上傳；原點搜索模塊主要是實現(xiàn)系統(tǒng)上電后各軸的原點搜索，以確定設(shè)備的基本坐標(biāo)位置；手動模塊則是實現(xiàn)對設(shè)備的基本操作及電機(jī)控制；參數(shù)模塊則實現(xiàn)不同產(chǎn)品對應(yīng)各項參數(shù)的分區(qū)新增、刪除、存儲、調(diào)出和顯示；自動模塊則實現(xiàn)設(shè)備的自動加工功能；通訊模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，包括主站數(shù)據(jù)下載、從站數(shù)據(jù)上傳、主站操作從站動作，對從站進(jìn)行各項設(shè)置等等；故障自診斷模塊則通過當(dāng)前狀態(tài)，分析故障發(fā)生原因，并進(jìn)行相應(yīng)故障說明、解決對策提示等，并對故障進(jìn)行記錄。各個模塊即獨(dú)立控制又相互關(guān)聯(lián)，形成一個完整的控制子系統(tǒng)。而各子系統(tǒng)通過通訊控制由形成整條自動線的控制系統(tǒng)。現(xiàn)以鉆孔桁架的自動控制模塊為例說明如下：

鉆孔桁架對應(yīng)4臺自動鉆孔機(jī)，其控制一臺放料直角機(jī)械手和一臺取料直角機(jī)械手，這兩臺機(jī)械手均在桁架的軌道上自由移動，放料機(jī)械手功能為從中轉(zhuǎn)桁架的出料位置取出產(chǎn)品放置到鉆孔機(jī)的上下料位置，取料機(jī)械手功能為從鉆孔機(jī)的上下料位置取出產(chǎn)品放置到自動收料機(jī)上。4臺鉆孔機(jī)的上下料位置分別為寄存器（DM110～117），放料等待位置分別為寄存器（DM120～127）。每次放料完成，系統(tǒng)自動記憶放料時間，以雙字節(jié)方式分別存儲到寄存器（DM100～DM107），而控制取料機(jī)械手提前運(yùn)動到對應(yīng)上下料位置等待以節(jié)省運(yùn)動時間。在自動工作過程中，系統(tǒng)收到中轉(zhuǎn)桁架備料完成觸發(fā)信號后，放料機(jī)械手運(yùn)動到位，下降取料并上升復(fù)位，且先運(yùn)動到1#鉆孔機(jī)的等待放料位置。此時取料機(jī)械手在將其當(dāng)前產(chǎn)品放置到自動收料機(jī)上后即依次比較時間寄存器（DM100～DM107）的上次放料時間，而運(yùn)動到最早放料的鉆孔機(jī)的上下料位置等待，然后放料機(jī)械手亦移動到其附近等待。當(dāng)前鉆孔機(jī)最先發(fā)出加工完成信號時，取料機(jī)械手即下降執(zhí)行取料動作，然后將產(chǎn)品放置到自動收料機(jī)的軌道上，而放料機(jī)械手待取料機(jī)械手離開鉆孔機(jī)的上下料位置后即自動放料，并自動存儲當(dāng)前放料時間，然后準(zhǔn)備接收中轉(zhuǎn)桁架備料完成觸發(fā)信號。一般情況下都是先放料的鉆孔機(jī)先完成加工，但如果該鉆孔機(jī)出現(xiàn)異常等特殊情況，則可能是其他前鉆孔機(jī)最先發(fā)出加工完成信號，如此取放料機(jī)械手同步移動到對應(yīng)鉆孔機(jī)位置以執(zhí)行上述的取放料動作。

3 結(jié)語

在本文中提出并實現(xiàn)了一種鼓式剎車片加工自動線的解決方案，通過新增相應(yīng)的自動化設(shè)備，和原有的加工設(shè)備組成一條完整的自動化生產(chǎn)線，以實現(xiàn)對現(xiàn)有的剎車片加工工藝進(jìn)行全自動化改造。實際證明，該方案可以有效提升了生產(chǎn)效率，降低人工勞動強(qiáng)度、避免了加工過程中粉塵對操作人員傷害，同時保證了穩(wěn)定的加工品質(zhì)，極大程度的減少了人工操作不當(dāng)導(dǎo)致的不良品率。經(jīng)過近一年的長時間運(yùn)行，整條生產(chǎn)線性能穩(wěn)定，效果良好，證明這種設(shè)計在鼓式剎車片自動化加工方面具有較高的可靠性、穩(wěn)定性、擴(kuò)展性。目前已在吉林長春、陜西銅川和山東聊城等地相關(guān)企業(yè)得到推廣，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)工藝升級改造提供了較好的參考價值。