數(shù)控加工中心自動(dòng)上下料裝置的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

鄭文清　覃振杰　程健

關(guān)鍵詞：上下料；自動(dòng)；柔性；設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

中圖分類(lèi)號(hào)：U468.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

通過(guò)走訪(fǎng)多家汽車(chē)制造企業(yè)發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)主要發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)制造企業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋數(shù)控加工中心上下料工藝分為2 種。

一種是采用人工手動(dòng)推拉上下料。操作工在數(shù)控加工中心加工完成加工工序、上料門(mén)打開(kāi)后，手動(dòng)將加工完成的零件拉出，再把待加工的零件推進(jìn)，完成初步的零件定位，設(shè)備夾緊后循環(huán)加工。該方式簡(jiǎn)單易行，設(shè)備投入小，但操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)人員操作熟練程度依賴(lài)程度高，制造成本無(wú)法做到最優(yōu)，同時(shí)存在操作工推拉零件不到位等操作風(fēng)險(xiǎn)，不利于過(guò)程質(zhì)量管控。

另一種是整個(gè)數(shù)控加工中心加工單元采用桁架機(jī)械手的形式，數(shù)控加工中心之間的零件傳輸，依靠機(jī)械手的抓取進(jìn)行[1-2]。桁架機(jī)械手整體投資巨大，相應(yīng)的輥道及數(shù)控加工中心設(shè)計(jì)系統(tǒng)復(fù)雜[3]。一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，整個(gè)單元數(shù)控加工中心的加工將無(wú)法進(jìn)行，會(huì)影響整個(gè)數(shù)控加工中心加工單元的產(chǎn)能輸出。

基于最大化運(yùn)行效率，制造企業(yè)需持續(xù)提升數(shù)控加工中心產(chǎn)線(xiàn)加工過(guò)程精益化，減少“非切削”時(shí)間。對(duì)此，傳統(tǒng)維度上有優(yōu)化工藝布局、加工參數(shù)和刀具性能等措施[4]。本文對(duì)某公司發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)工廠(chǎng)的自動(dòng)上下料裝置研發(fā)探索除了以上傳統(tǒng)維度外，聚焦于強(qiáng)化數(shù)控加工中心間的交互，保障各加工工藝的銜接，通過(guò)最小化的設(shè)備投入，將原有人工控制的上下物料環(huán)節(jié)機(jī)械化、可控化，從而提升生產(chǎn)效率。

1 設(shè)備研發(fā)設(shè)計(jì)

通過(guò)分析某工廠(chǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)人工上下料裝載過(guò)程的動(dòng)作特點(diǎn)，本研究設(shè)計(jì)建造模擬操作工推拉的數(shù)控加工中心自動(dòng)上下料設(shè)備。設(shè)備核心部件由氣缸、導(dǎo)軌、滑塊、支撐部件和定位銷(xiāo)等部件組成。設(shè)備通過(guò)傳感器感應(yīng)判斷加工狀態(tài)，指導(dǎo)機(jī)械部件執(zhí)行動(dòng)作，替代操作工人工推拉上下料，實(shí)現(xiàn)取料、推拉、定位和放行等連貫動(dòng)作（圖1）。

該設(shè)備的主要關(guān)鍵要求為：實(shí)現(xiàn)缸蓋進(jìn)出數(shù)控加工中心設(shè)備的全自動(dòng)化，有效避免人工推拉帶來(lái)的勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)以及推拉質(zhì)量不受控的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)等；柔性化程度高，自動(dòng)判斷零件到位情況，僅需要更換定位插銷(xiāo)即可滿(mǎn)足新增新產(chǎn)品的柔性化生產(chǎn)要求，便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更新?lián)Q代加工，降低在不同機(jī)型之間加工時(shí)的換型損失；設(shè)備精度高，耐久度好。

1.1 技術(shù)原理

基于主要設(shè)計(jì)功能要求，對(duì)自動(dòng)上下料裝置建模。設(shè)備機(jī)械部件由基座系統(tǒng)、前后推拉系統(tǒng)、左右橫移系統(tǒng)、升降定位執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輔助部件組成?；到y(tǒng)由地腳板、支架和基座支撐板組成；左右橫移系統(tǒng)由滑臺(tái)基座、左右橫移氣缸和左右橫移導(dǎo)軌組成；前后推拉系統(tǒng)由前后推拉板、前后推拉氣缸和前后推拉導(dǎo)軌組成；升降定位執(zhí)行機(jī)構(gòu)由升降氣缸、定位插銷(xiāo)組成；輔助部件由在位傳感器、坦克鏈、氣管和氣缸安裝支架等零部件組成（圖2）。

設(shè)備工作時(shí)通過(guò)傳感器感應(yīng)判斷加工狀態(tài)，指令機(jī)械部件執(zhí)行動(dòng)作。設(shè)備使用橫移氣缸、推拉氣缸和升降氣缸等部件實(shí)現(xiàn)零件各個(gè)方向的移動(dòng)，從而模擬人工推拉。設(shè)備由升降氣缸下方固定的定位插銷(xiāo)對(duì)工件推拉過(guò)程定位，僅需要更換定位插銷(xiāo)即可滿(mǎn)足未來(lái)新產(chǎn)品的生產(chǎn)要求，便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更新?lián)Q代加工，且能降低在不同機(jī)型之間加工時(shí)的換型損失。

1.2 工藝流程

為了驗(yàn)證該設(shè)備的有效性，該工廠(chǎng)將設(shè)計(jì)研發(fā)的自動(dòng)上下料裝置安裝在其某生產(chǎn)線(xiàn)的缸蓋線(xiàn)OP160 精加工凸輪軸孔工位試生產(chǎn)，同時(shí)跟蹤半年內(nèi)的加工穩(wěn)定性，進(jìn)一步用于驗(yàn)證設(shè)備耐久性。

實(shí)際操作過(guò)程中，設(shè)備依次完成推拉零件進(jìn)入數(shù)控加工中心機(jī)床，數(shù)控加工中心執(zhí)行自動(dòng)加工，加工循環(huán)結(jié)束后取出已加工零件，輥道運(yùn)輸缸蓋至下工序。具體運(yùn)動(dòng)步驟如圖3 所示。同時(shí)，基于設(shè)計(jì)原理及實(shí)際需要，該自動(dòng)上下料裝置可通過(guò)調(diào)整程序參數(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)拍調(diào)整，以適應(yīng)不同線(xiàn)速節(jié)拍下的生產(chǎn)要求。在該公司產(chǎn)量指標(biāo)下，節(jié)拍明細(xì)如圖4 所示。

2 技術(shù)關(guān)鍵和難題分析

設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)人員在完成理論分析后，結(jié)合生產(chǎn)工藝要求及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的主要難點(diǎn)是如何保證柔性化、精度及耐久度。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的產(chǎn)品特點(diǎn)及精密度等產(chǎn)品質(zhì)量要求，詳細(xì)分析如下。

2.1 高柔性化設(shè)計(jì)

該工廠(chǎng)在產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)包括N 系列、B 系列自然吸氣及增壓發(fā)動(dòng)機(jī)等多個(gè)機(jī)型，且多機(jī)型共線(xiàn)生產(chǎn)，生產(chǎn)線(xiàn)柔性化程度高。同時(shí)，基于減少等待浪費(fèi)等要求，換型時(shí)間要求高。因此設(shè)計(jì)的自動(dòng)上下料裝置需具備快速換型、精準(zhǔn)換型的能力。

對(duì)比產(chǎn)品參數(shù)可知，在產(chǎn)各機(jī)型特征差異較大，且由于缸蓋線(xiàn)機(jī)床對(duì)立布置，零件進(jìn)入機(jī)床前朝向不同。對(duì)所有缸蓋產(chǎn)品尺寸特征分析可知，缸蓋各機(jī)型火花塞孔間距相同，加工精度較高且定位方式穩(wěn)定，因此在精加工單元可作為推拉定位孔。

明確推拉定位孔后，需進(jìn)一步明確定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。該設(shè)備定位機(jī)構(gòu)采用長(zhǎng)倒角結(jié)構(gòu)的2 個(gè)插銷(xiāo)，插銷(xiāo)定位在工件的火花塞孔中。定位插銷(xiāo)材質(zhì)采用聚酰胺材料，該材料特性韌性和機(jī)械加工性能好，承受沖擊能力強(qiáng)且價(jià)格低廉，可維護(hù)性較高。

由于缸蓋采用輥道運(yùn)輸，對(duì)缸蓋所存在的2 種朝向逐一分析。當(dāng)工件前端面（F6000 面）朝前時(shí)，3 缸、4 缸產(chǎn)品前端面與C基準(zhǔn)、第2 火花塞孔以及第3 火花塞孔的位置均相同（圖5）。因此該狀態(tài)3、4 缸在自動(dòng)滾道上共用一個(gè)擋料器，自動(dòng)上下料裝置共用定位插銷(xiāo)及輸送氣缸，不需要換型。當(dāng)工件后端面（F5000面）朝前時(shí)，3 缸、4 缸產(chǎn)品前端面與C 基準(zhǔn)、第2 火花塞孔及第3 火花塞孔的位置均相同（圖6），但3 種產(chǎn)品F5000 面距C基準(zhǔn)距離不同，分別為：B15T，365.0 mm ；B15，353.3 mm ；B10T，282.3 mm。3 缸、4 缸后端面朝前輸送時(shí)，上料處滾道上需要3 個(gè)擋料器兼容3 種產(chǎn)品輸送，自動(dòng)上下料裝置可共用定位插銷(xiāo)及輸送氣缸，不需要換型。

通過(guò)上述策略，該設(shè)備可有效保證對(duì)量產(chǎn)所有車(chē)型的全柔性，實(shí)現(xiàn)所有機(jī)型共用。

2.2 保證精度與耐久性

為確保設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性和輸送精度，基座支撐板由高強(qiáng)度Q235 鋼板通過(guò)螺栓連接支架，用于整個(gè)左右橫移系統(tǒng)和前后推拉系統(tǒng)的支撐，并固定左右橫移氣缸和左右橫移導(dǎo)軌。同時(shí)，采用螺栓連接便于整個(gè)基座系統(tǒng)的水平調(diào)整和零部件的更換。

設(shè)計(jì)人員通過(guò)合理減輕設(shè)備質(zhì)量消除機(jī)械疲勞，有效提升設(shè)備使用壽命。該設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)采購(gòu)件的無(wú)桿氣缸，減少了設(shè)備的尺寸和重量，且便于維修和替換。前后推拉板采用梯形板形狀鏤空設(shè)計(jì)，最大程度上減少設(shè)備重量，且能較好的保證零件撓度和剛性。設(shè)備采用滾珠導(dǎo)軌形式驅(qū)動(dòng)，最大程度減少移動(dòng)過(guò)程中的摩擦力，提高了機(jī)械效率。

數(shù)控加工中心上下料裝置的運(yùn)動(dòng)位置依靠“氣缸硬限位+高精度傳感器檢測(cè)”的方式來(lái)保證，工件輸送位置可靠，并能較好地保護(hù)氣缸、導(dǎo)軌等運(yùn)動(dòng)部件。無(wú)桿氣缸兩端均采用帶有液壓緩沖元件組成的緩沖裝置，在運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)受到的沖擊力較小，保護(hù)氣缸的同時(shí)保證了傳輸效率和傳輸位置。設(shè)備氣管、傳感器線(xiàn)均采用“橋架+ 坦克鏈”布置方案，氣管和傳感器線(xiàn)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中避免了相互移動(dòng)摩擦，避免了因線(xiàn)路拉扯造成的信號(hào)失真情況。

設(shè)備支架采用80.0 mm×80.0 mm 的標(biāo)準(zhǔn)件方管單邊焊接，滿(mǎn)足設(shè)備承重和加工性能。前后推拉板下方固定前后推拉導(dǎo)軌，每根導(dǎo)軌共由2 個(gè)滑塊組成，2 個(gè)滑塊之間的間距為100.0 mm，既保證了設(shè)備運(yùn)行能力，又減少了設(shè)備的占地面積。設(shè)備支架這種“2 個(gè)前后推拉板單獨(dú)運(yùn)動(dòng)+1 個(gè)橫移基座板運(yùn)動(dòng)”的布置方式，通過(guò)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作邏輯重疊，在最短時(shí)間內(nèi)完成設(shè)備的循環(huán)動(dòng)作。

3 實(shí)施效果

該自動(dòng)上下料裝置在該公司發(fā)動(dòng)機(jī)工廠(chǎng)缸蓋線(xiàn)新廠(chǎng)房進(jìn)行耐久性驗(yàn)證6 個(gè)月，設(shè)備3 班次24 h 連續(xù)運(yùn)行。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，可有效保證上下料節(jié)拍在10 s 之內(nèi)，精準(zhǔn)可控，一致性高于原操作工人工操作節(jié)拍，完全滿(mǎn)足該公司生產(chǎn)節(jié)拍需求。

質(zhì)量方面，由于使用了該自動(dòng)上下料裝置，推拉力度、角度和節(jié)拍等精準(zhǔn)一致，減少了人工推拉過(guò)程中造成的工件碰傷數(shù)量。調(diào)取其生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，原操作工人工推拉時(shí)，每個(gè)月因碰傷造成的工件碰傷數(shù)量約60 臺(tái)；使用該自動(dòng)上下料裝置工件碰傷數(shù)量每月為15 臺(tái)，零件碰傷問(wèn)題發(fā)生頻次降低75%。且零件碰傷程度有效降低，依據(jù)該企業(yè)成本核算方式，僅零件返修方面即可節(jié)約成本13 萬(wàn)元。

同時(shí)自動(dòng)化設(shè)備的投入，解決了長(zhǎng)期困擾該工廠(chǎng)人員流動(dòng)帶來(lái)的人力資源緊張問(wèn)題。使用該上下料裝置后，三班次節(jié)約3 名操作工，減少人員管理風(fēng)險(xiǎn)。人員減少方面，依據(jù)該企業(yè)成本核算方式，年節(jié)約人力成本17 萬(wàn)元。單一工位即可降本增效30 萬(wàn)元/ 年，而且投資回報(bào)周期短。

4 結(jié)束語(yǔ)

某公司發(fā)動(dòng)機(jī)工廠(chǎng)通過(guò)自主研發(fā)數(shù)控加工中心自動(dòng)上下料裝置，替代操作工人工推拉上下料的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工的全自動(dòng)過(guò)程，可避免人工推拉帶來(lái)的勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)和推拉質(zhì)量不受控的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)等。該裝置能進(jìn)一步優(yōu)化“車(chē)間生態(tài)平衡”，通過(guò)改善人機(jī)工程，使操作人員專(zhuān)注于技術(shù)性問(wèn)題解決，保障產(chǎn)品質(zhì)量[5]。該裝置具備多機(jī)型共線(xiàn)生產(chǎn)的高柔性化能力，便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更新?lián)Q代加工，且能降低在不同機(jī)型之間加工時(shí)的換型損失。從實(shí)際使用情況看，提升自動(dòng)化水平的同時(shí)，該數(shù)控加工中心自動(dòng)上下料裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，占地面積小，方便設(shè)備維護(hù)，具備較大的生產(chǎn)拓展能力，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介：

鄭文清，本科，工程師，研究方向?yàn)槠?chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、新技術(shù)應(yīng)用和發(fā)動(dòng)機(jī)加工工藝等。