張春振 王玉石 孫鵬

摘 要：本論文以5項(xiàng)典型螺栓類零件作為研究對(duì)象，利用帶桁架系統(tǒng)自動(dòng)化數(shù)控加工單元，實(shí)現(xiàn)零件加工過程中自動(dòng)上料下料、掉頭、抽檢、銑六方等加工內(nèi)容。提高零件加工數(shù)字化、信息化、少人化直至無人化管理，保證零件產(chǎn)品質(zhì)量，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，將工人從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來，使零件制造技術(shù)達(dá)到一個(gè)嶄新的水平。

關(guān)鍵詞：桁架；數(shù)控加工單元；自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.1 桁架機(jī)器人簡(jiǎn)介

桁架式機(jī)器人也叫作直角坐標(biāo)機(jī)器人和龍門式機(jī)器人。工業(yè)應(yīng)用中，桁架機(jī)器人是能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、適合不同任務(wù)的自動(dòng)化設(shè)備。它能夠搬運(yùn)物體、操作工具，以完成各種作業(yè)。

1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

智能制造技術(shù)已成為世界制造業(yè)發(fā)展的客觀趨勢(shì)，世界上主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家正在大力推廣和應(yīng)用。發(fā)展智能制造既符合我國制造業(yè)發(fā)展的內(nèi)在要求，也是重塑我國制造業(yè)新優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然選擇。智能制造不僅僅是單一的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用，而是新模式的轉(zhuǎn)變。高效靈活的生產(chǎn)模式、產(chǎn)業(yè)鏈有效協(xié)作與整合、新型生產(chǎn)服務(wù)型制造、協(xié)同開發(fā)和云制造，這些都是其很明顯的優(yōu)勢(shì)。近年來，各國為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、縮短研制周期，制訂多項(xiàng)先進(jìn)制造發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃，調(diào)整產(chǎn)業(yè)架構(gòu)， 促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，急需用智能制造提升能力和效率。此外，相關(guān)技術(shù)條件已逐漸成熟。信息技術(shù)和新的智能技術(shù)為智能制造提供了最重要的基礎(chǔ)。目前中國制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)的浪潮之中，正是機(jī)器人自動(dòng)化的發(fā)展良機(jī)，08年經(jīng)濟(jì)危機(jī)之后，現(xiàn)代化制造對(duì)員工素質(zhì)要求越來越高，人工成本增長(zhǎng)迅速，“招工難”日益嚴(yán)重，如何在生產(chǎn)中降低勞動(dòng)強(qiáng)度， 實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率，減少人員配置，縮小生產(chǎn)空間，降低社會(huì)成本，甚至于無人化智能加工，在機(jī)械加工行業(yè)勢(shì)在必行。

隨著制造業(yè)的用工成本上漲、技能人才緊缺、高危環(huán)保、高強(qiáng)度作業(yè)等問題的凸顯，對(duì)于工作效率的要求越來越高，企業(yè)如何運(yùn)用低成本回收大利潤(rùn)是每個(gè)生產(chǎn)廠家心目當(dāng)中在意的事情。而通過這些年的實(shí)踐證明，數(shù)控車床桁架機(jī)械手參與生產(chǎn)制造已被廣泛認(rèn)知和不斷使用，成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。在機(jī)器人和自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，桁架機(jī)器人即實(shí)現(xiàn)了制造過程的完全自動(dòng)化，并采用了集成加工技術(shù)，適用于機(jī)床、生產(chǎn)線的上下料、工件翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等， 同時(shí)其高精度夾持定位工具系統(tǒng)為機(jī)器人自動(dòng)化加工提供了標(biāo)準(zhǔn)接口。

1.3 問題描述

目前航空領(lǐng)域加工大量螺栓類零件，由于零件批量大，立項(xiàng)前采用普通數(shù)控車床加工，車床實(shí)際加工時(shí)間很短，工人頻繁執(zhí)行：開安全門—裝夾—關(guān)安全門動(dòng)作，勞動(dòng)強(qiáng)度極高。桁架機(jī)械手普遍架設(shè)在機(jī)床的上方，軌跡單一，占地面積小，桁架機(jī)械手生產(chǎn)線工人可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加工過程，問題排除迅速，抽檢方便，人機(jī)協(xié)作較好。并且將車床安裝動(dòng)力頭，實(shí)現(xiàn)車床具備銑削功能，兩臺(tái)數(shù)控車床+一臺(tái)桁架即可將零件由毛料狀態(tài)加工至淬火狀態(tài)。并且通過桁架機(jī)械手可以有效地改善了作業(yè)環(huán)境，提高零件加工數(shù)字化、信息化、少人化直至無人化管理，可靠的保證了產(chǎn)品質(zhì)量，極大的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，將工人從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來，使現(xiàn)代制造技術(shù)達(dá)到一個(gè)嶄新的水平。

2 詳細(xì)科學(xué)技術(shù)內(nèi)容

2.1 總體思路

（1）研究目的。本次技術(shù)改進(jìn)以5項(xiàng)典型螺栓類零件作為研究對(duì)象，利用帶桁架系統(tǒng)自動(dòng)化數(shù)控加工單元，實(shí)現(xiàn)零件加工過程中自動(dòng)上料下料、掉頭、抽檢、銑六方等加工內(nèi)容。提高零件加工數(shù)字化、信息化、少人化直至無人化管理，可靠的保證了產(chǎn)品質(zhì)量，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，將工人從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來，使零件制造技術(shù)達(dá)到一個(gè)嶄新的水平。

（2）研究?jī)?nèi)容?；谏鲜鲅芯磕康暮湍繕?biāo)，本技術(shù)改進(jìn)內(nèi)容主要包括3個(gè)部分，首先是梳理典型螺栓類零件工藝方案，改變?cè)泄に嚪桨?，針?duì)桁架數(shù)控加工單元特點(diǎn)，確定螺栓類零件加工方案；其次針對(duì)工藝方案，確定毛料長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)毛料料盤，確定上下料方式；最后編制桁架程序及數(shù)控車床加工程序，完成零件加工工作：①梳理典型螺栓類零件工藝方案。選取5項(xiàng)典型螺栓類零件進(jìn)行工藝優(yōu)化研究，要求具有外形簡(jiǎn)單且單機(jī)數(shù)量大的特點(diǎn)。梳理典型螺栓類零件工藝方案，改變?cè)泄に嚪桨?，針?duì)桁架數(shù)控加工單元特點(diǎn)，確定螺栓類零件加工方案；②確定上下料方式。針對(duì)工藝方案，確定毛料長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)毛料料盤，確定上下料方式；③編制程序。調(diào)試桁架程序，采用示教對(duì)桁架進(jìn)行調(diào)試，空運(yùn)行桁架系統(tǒng)。編制數(shù)控車床運(yùn)行程序，利用2號(hào)數(shù)控車床動(dòng)力頭實(shí)現(xiàn)銑六方功能。進(jìn)行程序試切加工。

2.2 技術(shù)方案

螺栓類零件單機(jī)數(shù)量較大，改進(jìn)前采用普通數(shù)控車床加工，車床實(shí)際加工時(shí)間很短，工人頻繁執(zhí)行：開安全門—裝夾—關(guān)安全門動(dòng)作，勞動(dòng)強(qiáng)度極高。通過桁架系統(tǒng)不僅能完成加工工件的自動(dòng)上料下料、工件翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等工作，而且能滿足快速、大批量加工節(jié)拍。并且利用車床動(dòng)力頭，實(shí)現(xiàn)車床具備銑削功能，兩臺(tái)數(shù)控車床+一臺(tái)桁架即可將零件由毛料狀態(tài)加工至淬火狀態(tài)。并且通過桁架機(jī)械手可以有效地改善了作業(yè)環(huán)境，提高零件加工數(shù)字化、信息化、少人化直至無人化管理，可靠的保證了產(chǎn)品質(zhì)量，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，將工人從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來，使現(xiàn)代制造技術(shù)達(dá)到一個(gè)嶄新的水平。

（1）梳理典型螺栓類零件工藝方案。針對(duì)桁架數(shù)控車裝夾零件簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，充分發(fā)揮桁架的優(yōu)勢(shì)，改變?cè)械墓に嚪桨福倪M(jìn)后螺栓類零件加工工藝安排如下：采用桁架機(jī)械手抓料，然后加工兩側(cè)零件后，切斷，并進(jìn)行銑六方。將原有的5道工序合并為3道，提高了加工效率。

（2）確定上下料方式

以改進(jìn)后的工藝方案為依托，針對(duì)桁架運(yùn)行原理，按照機(jī)械手抓取毛料的運(yùn)作方式，確定毛料料盤排布方式，確定毛料長(zhǎng)度及上下料方式，與下料中心進(jìn)行協(xié)調(diào)將5件一組成組下料改為兩件一組下料，通過這種改進(jìn)，充分發(fā)揮了桁架的特點(diǎn)，保證了機(jī)械手抓料時(shí)穩(wěn)定快速，同時(shí)節(jié)省了毛料夾頭量。

（3）編制數(shù)控程序

首先，針對(duì)工藝方案，分別編制兩臺(tái)數(shù)控車床的加工程序，并編制機(jī)床2的動(dòng)力頭加工六方程序，然后分別對(duì)零件進(jìn)行試切加工。

調(diào)試桁架程序，采用示教對(duì)桁架進(jìn)行調(diào)試，空運(yùn)行桁架系統(tǒng)。編制數(shù)控車床運(yùn)行程序，利用2號(hào)數(shù)控車床動(dòng)力頭實(shí)現(xiàn)銑六方功能。進(jìn)行程序試切加工。

3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 桁架式機(jī)器人優(yōu)勢(shì)

（1）多自由度運(yùn)動(dòng)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度之間的空間夾角為直角。（2）自動(dòng)控制的，可重復(fù)編程，所有的運(yùn)動(dòng)均按程序運(yùn)行。（3）一般由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、操作工具等組成。（4）靈活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。（5）高可靠性、高速度、高精度。（6）可用于惡劣的環(huán)境，可長(zhǎng)期工作，便于操作維修。（7）各個(gè)機(jī)器人行走軸，均可采用滾輪導(dǎo)軌，具有可高速運(yùn)行，安裝調(diào)試方便，適合長(zhǎng)行程應(yīng)用，可用于惡劣環(huán)境等。

3.2 桁架機(jī)械手裝夾與人工裝夾對(duì)比

（1）人工裝卸的弊端：①占用人力資源，生產(chǎn)和管理成本較高；②手工裝卸料存在安全隱患。③工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率不高。

（2）桁架機(jī)器人特點(diǎn)。桁架機(jī)器人其結(jié)構(gòu)形式非常適合機(jī)床自動(dòng)化裝卸料，應(yīng)用潛力巨大，其特點(diǎn)有：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，運(yùn)行平穩(wěn)；②具有高可靠性，高速度，高精度；③可工作在較為惡劣的工作環(huán)境；④性價(jià)比高，調(diào)試、操作簡(jiǎn)單。

4 經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益

可一人同時(shí)操作多臺(tái)機(jī)器同時(shí)運(yùn)作，工作效率大大提高，桁架機(jī)器人重復(fù)定位精度高，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。當(dāng)今社會(huì)人口老齡化加劇，招工難，使用桁架機(jī)器人從真正意義上解決了企業(yè)的用工難問題。把工段工藝比較難的，勞動(dòng)生產(chǎn)力強(qiáng)度大的用機(jī)器人代替，從真正意義上做到機(jī)器人換人的概念。

參考文獻(xiàn)

[1]孫志禮，冷興聚，魏嚴(yán)剛，等.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].沈陽：東北大學(xué)出版社，2000：38.