劉占娟,張艷冬

(遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州　121001)

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經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床自動(dòng)上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉占娟,張艷冬

(遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州121001)

摘要：針對(duì)批量加工減震器活塞桿的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床人工上下料問(wèn)題，提出了采用自動(dòng)上下料裝置進(jìn)行自動(dòng)化上下料的方案。應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)自動(dòng)上下料裝置進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)上下料裝置工作過(guò)程及數(shù)控加工程序的分析，設(shè)計(jì)了與機(jī)床運(yùn)行相匹配的自動(dòng)上下料電氣控制系統(tǒng)。自動(dòng)上下料系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的手工操作，提高了生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度。該自動(dòng)上下料系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)比常見的送料機(jī)械手簡(jiǎn)單，降低了生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：上下料系統(tǒng)；數(shù)控車床；機(jī)械結(jié)構(gòu)；電氣控制

0引言

減震器活塞桿是汽車減震器中重要部件，且是汽車使用過(guò)程中的易損配件，因而市場(chǎng)需求量大，需要大批量生產(chǎn)。為滿足生產(chǎn)需求，某企業(yè)引進(jìn)了一批經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床用于減震器活塞桿的生產(chǎn)。該企業(yè)每天要求加工3000~4000件活塞桿，目前采用人工方式裝卸工件，工人勞動(dòng)強(qiáng)度極大，存在較大的安全隱患，且生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品的質(zhì)量難以保證。因此，為了提高競(jìng)爭(zhēng)力，企業(yè)迫切要求實(shí)現(xiàn)活塞桿上下料的自動(dòng)化，將勞動(dòng)者從機(jī)械重復(fù)的簡(jiǎn)單勞動(dòng)中解放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床的自動(dòng)化加工也是我國(guó)現(xiàn)階發(fā)展和國(guó)情的需要[1]。目前，國(guó)內(nèi)已有數(shù)控車床自動(dòng)送料裝置的研究，但相對(duì)較少，如文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種數(shù)控車床自動(dòng)送料裝置，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控車床的自動(dòng)上料，但只能為一種直徑的棒料送料，且占地面積較大；文獻(xiàn)[3]研究了一款數(shù)控車削自動(dòng)送料裝置，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控車床的自動(dòng)化加工，但只能輸送一種長(zhǎng)度的細(xì)長(zhǎng)軸。針對(duì)數(shù)控車床單一的自動(dòng)送料裝置研究現(xiàn)狀及其存在的問(wèn)題，本文以SolidWorks軟件[4]為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種新型數(shù)控車床自動(dòng)上下料裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)不同直徑和長(zhǎng)度的棒料的自動(dòng)供料，并設(shè)計(jì)了與機(jī)床運(yùn)行相匹配的自動(dòng)上下料電氣控制系統(tǒng)。

1工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

待加工工件為減震器活塞桿，數(shù)控車床對(duì)該類工件進(jìn)行端面精車。工件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其尺寸范圍為，直徑a：φ12.4～φ20(mm)，長(zhǎng)度b：234～477(mm)，直徑d：φ10～φ15(mm)，長(zhǎng)度c：10～20(mm)，屬細(xì)長(zhǎng)軸類工件。

圖1　減震器活塞桿工件示意圖

2上下料裝置總體結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

2.1自動(dòng)上料裝置總體結(jié)構(gòu)

自動(dòng)上料裝置總體結(jié)構(gòu)[5-7]如圖2所示，自動(dòng)上料裝置是利用氣壓缸活塞桿的伸縮運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)工件在整個(gè)上料裝置中移動(dòng)，從而把工件送入車床主軸內(nèi)。

圖2　自動(dòng)上料裝置總體結(jié)構(gòu)圖

該裝置底座支架上安裝分料氣缸、分料槽、料斗支架和送料氣缸支架，料斗支架上安裝料斗、導(dǎo)料槽和輔助落料裝置，送料氣缸通過(guò)送料氣缸支架固定在底座支架上，送料氣缸通過(guò)螺紋與上料氣缸支架連接，上料氣缸支架上安裝上料氣缸、料筒和定位螺栓。其中分料槽和導(dǎo)料槽槽寬設(shè)計(jì)可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)不同軸徑工件的上料；料斗間距可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度工件的上料；定位螺栓伸出量可調(diào)，從而保證料筒與分料槽內(nèi)工件同軸。

1.螺母 2.螺桿 3.軸承 4.T型桿 5.氣缸 6.氣缸支架 7.支撐架

輔助落料裝置能為堆積在料斗里的工件順利進(jìn)入導(dǎo)料槽提供輔助作用，如圖3所示。氣缸支架通過(guò)螺栓與支撐架連接，氣缸支架對(duì)氣缸起支撐固定作用。T型桿安裝在氣缸支架與支撐架構(gòu)成的方孔內(nèi)，小氣缸活塞桿的一端頂住T型桿，T型桿隨著活塞桿的上下移動(dòng)而移動(dòng)。T型桿與螺桿通過(guò)螺紋連接，螺桿上裝有軸承，軸承通過(guò)螺母固定在螺桿兩端。氣缸推動(dòng)T型推桿上升，料斗中堆積的工件被抬高，軸承轉(zhuǎn)動(dòng)將工件送入導(dǎo)料槽。

2.2自動(dòng)上下料裝置工作過(guò)程

如圖4所示，自動(dòng)上下料裝置安裝在數(shù)控車床主軸箱箱體上，安裝時(shí)保證上料氣缸下移至車床主軸中心時(shí)料筒軸線與車床主軸軸線重合。當(dāng)加工某一批次工件時(shí)，根據(jù)工件長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)料斗間距和定位棒在主軸內(nèi)的位置。根據(jù)工件直徑，調(diào)節(jié)導(dǎo)料槽和分料槽的寬度，一般分料槽寬要比工件直徑大0.5mm左右，才能保證工件在分料槽內(nèi)順利移動(dòng)，同時(shí)調(diào)節(jié)定位螺栓的伸出量，保證送料氣缸活塞桿縮回后，料筒與分料槽內(nèi)工件同軸。當(dāng)工件直徑發(fā)生變化時(shí)，料筒內(nèi)加入相應(yīng)襯套，確保工件軸線在料筒內(nèi)的位置不發(fā)生變化。

圖4　自動(dòng)上下料裝置工作過(guò)程示意圖

上下料協(xié)調(diào)工作過(guò)程：上下料裝置在工作前，工人將料斗內(nèi)裝滿工件。工作時(shí)，工件在輔助落料裝置的作用 下落入分料槽。分料氣缸將工件送入料筒后，送料氣缸動(dòng)作，將工件移至車床主軸，最后上料氣缸動(dòng)作，將工件送入車床主軸內(nèi)，并經(jīng)定位棒定位，同時(shí)將出料器中的彈簧拉伸。彈簧夾頭夾緊工件，數(shù)控車床根據(jù)編好的程序?qū)ぜM(jìn)行加工。加工結(jié)束后，彈簧夾頭松開，工件被出料器彈出，一次加工結(jié)束。

3自動(dòng)上下料裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1氣動(dòng)控制回路的設(shè)計(jì)

該裝置中的氣缸全部為內(nèi)置磁環(huán)氣缸，內(nèi)置磁環(huán)的作用是配合外面的磁性開關(guān)工作，及時(shí)感應(yīng)活塞的位置。氣動(dòng)設(shè)計(jì)原理[8]如圖5所示。其中磁感應(yīng)開關(guān)安裝位置的選擇與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有關(guān)。送料氣缸推出后需要保持推出狀態(tài)不能立即復(fù)位，所以選用雙電控三位五通電磁閥控制，其他的都是由單電控二位五通電磁閥控制。

A.分料氣缸 B.送料氣缸 C.上料氣缸 D.輔助落料氣缸

3.2自動(dòng)上下料裝置電氣控制回路設(shè)計(jì)

自動(dòng)上下料裝置電氣控制的設(shè)計(jì)即多氣缸順序動(dòng)作電氣控制回路的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)需要考慮自動(dòng)上下料裝置中氣缸動(dòng)作與工件加工的數(shù)控程序相協(xié)調(diào)，因此完整的控制包含兩部分：電氣控制[9]和數(shù)控程序輔助M控制[10]。

其中部分氣缸動(dòng)作由外接電氣控制回路實(shí)現(xiàn)，該電氣控制回路的設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，一是上料功能，當(dāng)工件加工完成后，控制電路接收信號(hào)，自動(dòng)送料氣缸將會(huì)按照工作流程動(dòng)作。二是報(bào)警功能，當(dāng)工件沒有順利進(jìn)入車床主軸內(nèi)或自動(dòng)送料裝置內(nèi)沒有工件時(shí)，該控制回路會(huì)提示報(bào)警，如圖6所示。

圖6　自動(dòng)上下料電氣控制原理圖

按下啟動(dòng)按鈕SB1，輔助繼電器KA0得電，并自鎖，電路接通，中間繼電器KA1得電，KA1常開閉合，電磁閥YA得電，分料氣缸前進(jìn)分離工件，當(dāng)分料氣缸運(yùn)動(dòng)到磁感應(yīng)開關(guān)SQ1時(shí)，SQ1常閉斷開，KA1失電，分料氣缸退回，同時(shí)SQ1常開閉合，KA2得電，自鎖，電磁閥YB0得電，送料氣缸下移送料，當(dāng)送料氣缸運(yùn)動(dòng)到磁感應(yīng)開關(guān)SQ4時(shí)，SQ4常閉斷開，KA2、YB0失電，SQ4常開閉合，KA3得電，KA3常開閉合，電磁閥YC得電，上料氣缸動(dòng)作，將工件送入車床主軸內(nèi)，并通過(guò)定位棒定位，同時(shí)出料器被工件頂出，彈簧被拉伸。安裝在出料器前方的光電開關(guān)SQ6感應(yīng)，SQ6常開閉合，KA6得電，該信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線傳遞給數(shù)控車床的控制系統(tǒng)，彈簧夾頭在該信號(hào)的作用下夾緊，將控制彈簧夾頭的繼電器KA9的一個(gè)常閉觸點(diǎn)延出，當(dāng)程序運(yùn)行到M10指令時(shí)，KA9常閉斷開，KA3失電，電磁閥YC斷電，上料氣缸退回。當(dāng)氣缸運(yùn)動(dòng)到磁感應(yīng)開關(guān)SQ5時(shí)，KA4得電，電磁閥YB1得電，送料氣缸上移，當(dāng)送料氣缸運(yùn)動(dòng)到磁感應(yīng)開關(guān)SQ3時(shí)，SQ3常閉斷開，KA4失電，電磁閥YB1斷電。數(shù)控車床開始對(duì)工件加工，加工完畢后，彈簧夾頭松開，工件在出料器的作用下彈出，出料器在彈簧的作用下恢復(fù)原位，光電開關(guān)SQ6失去感應(yīng)，斷開的SQ6再次閉合，由于各氣缸均處在初始狀態(tài)，所以常閉SQ1閉合，常開SQ3和SQ5閉合，KA1再次得電，自動(dòng)上下料裝置開始進(jìn)行下一輪的送料工作。

輔助落料氣缸的動(dòng)作是通過(guò)中間繼電器KA5和時(shí)間繼電器KT0實(shí)現(xiàn)。當(dāng)KA1得電后，中間繼電器KA5得電并自鎖，KA5常開閉合，電磁閥YD得電，輔助落料氣缸上移，當(dāng)氣缸運(yùn)動(dòng)到磁感應(yīng)開關(guān)SQ2，時(shí)間繼電器KT0得電，開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間要大于分料氣缸的循環(huán)時(shí)間，以保證落料的順利進(jìn)行。當(dāng)KT0時(shí)間到，KT0常閉延時(shí)斷開，KA5線圈失電，電磁閥YD失電，氣缸退回。

送料氣缸動(dòng)作后，報(bào)警系統(tǒng)也開始工作。KA1得電后，中間繼電器KA7得電并自鎖，同時(shí)時(shí)間繼電器KT1得電，開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間為完成一次送料的時(shí)間。當(dāng)KT1時(shí)間到，KT1常開延時(shí)斷合，車床主軸內(nèi)若無(wú)工件送入，SQ6常閉保持閉合，KA8線圈失電并自鎖，KA8常開閉合，報(bào)警器開始報(bào)警。

與自動(dòng)送料電氣控制相適應(yīng)的數(shù)控加工程序如表1所示。

表1　數(shù)控加工程序

數(shù)控程序輔助M控制是實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)行與自動(dòng)上下料電氣控制協(xié)調(diào)工作的關(guān)鍵。通過(guò)增加數(shù)控程序中的M10指令，實(shí)現(xiàn)繼電器KA9對(duì)自動(dòng)送料電氣回路的控制。彈簧夾頭夾緊工件后，數(shù)控加工并沒有立刻進(jìn)行，而是延時(shí)，待送料氣缸退回后才開始加工工件。加工完畢，程序運(yùn)行到M11指令，常閉SQ6失電閉合，中間繼電器KA1重新得電，送料工作再次開始，由此將自動(dòng)上下料驅(qū)動(dòng)指令與數(shù)控車床整體運(yùn)行加工相融合。

4結(jié)束語(yǔ)

為大批量生產(chǎn)減震器活塞桿的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床設(shè)計(jì)了一個(gè)氣動(dòng)自動(dòng)上下料裝置，并通過(guò)對(duì)數(shù)控加工過(guò)程進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)了與機(jī)床加工程序相適應(yīng)的電氣控制回路和數(shù)控輔助控制。該裝置提高了生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化程度，提高了產(chǎn)品的一致性，且一人可同時(shí)照看2臺(tái)車床，大幅度提高了生產(chǎn)效率，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少企業(yè)人工成本支出。而且由于上下料裝置的動(dòng)力源為壓縮空氣，因此維護(hù)保養(yǎng)容易，無(wú)污染。通過(guò)對(duì)自動(dòng)上下料裝置調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格工件的加工，使用范圍廣泛。本設(shè)計(jì)已在某汽車零部件有限公司投入使用。

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(編輯李秀敏)

Design of an Automatic Loading and Unloading System for Economical Numerical Control Lathe

LIU Zhan-juan , ZHANG Yan-dong

(School of Mechanical Engineering and Automation,Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001,China)

Abstract：According to artificial loading and unloading problems of an economical numerical control lathe which products lots of damper compression rod, put forward an automatic up-down project that adopts automatic up-down device. The mechanical structure for automatic up-down device is designed by SolidWorks software. Through the analysis of loading and unloading device working process and NC machining program, an electrical control system that is suitable for the machine running program is designed. The automatic loading and unloading system replaces the traditional manual operation and improves the automation of production process.The automatic loading and unloading system’s mechanical structure which is simpler than common feeding manipulator reduces the production cost.

Key words：loading and unloading system; numerical control lathe; mechanical structure; electrical control

中圖分類號(hào)：TH122; TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：劉占娟(1989—)，女，河北唐山人，遼寧工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAE/CAM，(E-mail)zhanjuanliu@163.com。

收稿日期：2015-05-06

文章編號(hào)：1001-2265(2016)03-0101-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.028