劉建芬

（經(jīng)緯智能紡織機(jī)械有限公司，山西 晉中 030601）

0 引言

目前，大多數(shù)制造企業(yè)的零件加工方式仍然采取單機(jī)流水線全人工操作方式，這種情況與企業(yè)早期設(shè)備未更新有關(guān)，也與某些零件的加工特殊性有關(guān)。全人工加工方式不僅加工效率低，而且人工成本較高，那么，如何在滿足零件加工的特殊要求及設(shè)備更新、提高自動(dòng)化水平中找到性價(jià)比高的適用方案呢？筆者針對(duì)紡機(jī)專件設(shè)備自動(dòng)化改造實(shí)際案例進(jìn)行討論。

1 專件異形面加工弊端

以紡機(jī)專件中某關(guān)鍵零件為例，圖1為該零件在加工過(guò)程中有一定難度的異形面加工。該零件的使用性能要求其圓錐面與半徑為R 的球面一次加工成型，對(duì)基準(zhǔn)的同心度要求不大于0．005 mm，表面粗糙度Ra 值為0．4μm。

圖1 異形面示意

傳統(tǒng)加工方式是在專用球頭磨床上設(shè)計(jì)工裝進(jìn)行加工，但存在弊端：①勞動(dòng)強(qiáng)度大，加工效率低；②磨削進(jìn)給量靠進(jìn)給螺絲控制，當(dāng)進(jìn)給螺絲制造精度不高或磨損時(shí)，嚴(yán)重影響零件下機(jī)質(zhì)量；③進(jìn)給速度受人工操作影響，其快慢直接影響到工件是否被磨削燒傷，但因個(gè)體差異，磨削速度難以統(tǒng)一，而磨削燒傷會(huì)造成該部位使用壽命降低，且因其檢測(cè)屬于破壞性檢驗(yàn)，無(wú)法大批量檢驗(yàn)，完全憑借操作者經(jīng)驗(yàn)觀察加工。

2 自動(dòng)化改造方案

對(duì)加工設(shè)備自動(dòng)化進(jìn)行改造，就是要在解決問(wèn)題的同時(shí)保證零件加工質(zhì)量穩(wěn)定，提高其整體優(yōu)質(zhì)率，減少用工［1］。為此，初期自動(dòng)化改造設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合整體構(gòu)造方案提出了基于3大部件的自動(dòng)化改造方案，包括傳動(dòng)部件、進(jìn)給部件與自動(dòng)上下料部件，以及控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

主體思路是效仿手工加工球面的方式，將上下料系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造。上下料系統(tǒng)采用桁架機(jī)械手，通過(guò)雙機(jī)械手分別控制上料和下料，與進(jìn)給系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)到位加工，加工結(jié)束取料；進(jìn)給系統(tǒng)借鑒原工裝進(jìn)給方式，由原來(lái)的進(jìn)刀螺絲手動(dòng)進(jìn)給方式改為伺服電機(jī)絲杠自動(dòng)進(jìn)給方式，進(jìn)給量及進(jìn)給速度可調(diào)；旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在原工裝基礎(chǔ)上加裝環(huán)形齒條齒輪組，同步輪與伺服電機(jī)相連，轉(zhuǎn)動(dòng)角度及速度可調(diào)。該方案考慮到現(xiàn)用設(shè)備的使用實(shí)際，除增加自動(dòng)上下料系統(tǒng)外，其他部件的改造均在專用工裝上進(jìn)行，對(duì)設(shè)備精度要求不高，較容易實(shí)現(xiàn)。

3 自動(dòng)化改造的實(shí)施

結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)MMB1420型萬(wàn)能磨床實(shí)施改造。

3．1 自動(dòng)上下料系統(tǒng)的改造

自動(dòng)上下料系統(tǒng)由自動(dòng)喂料倉(cāng)，傳動(dòng)桁架，上下料爪及接料倉(cāng)組成。送料流程：喂料倉(cāng)階梯喂料裝置分離工件→送入上料工位識(shí)別工件狀態(tài)→上料機(jī)械手抓料進(jìn)入加工工位→加工成型→加工完成后下料機(jī)械手取料、上料機(jī)械手上料→下料機(jī)械手將完成工件送入接料倉(cāng)口→接料倉(cāng)收料加工完成。

為提高上下料效率、減少等待時(shí)間，自動(dòng)上下料系統(tǒng)采用雙機(jī)械手分別負(fù)責(zé)上料及下料動(dòng)作，安裝在桁架上，由伺服電機(jī)控制滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)橫向位移和上下位移，能準(zhǔn)確定位且速度可調(diào)，可跟隨工件磨削位置調(diào)整上下料位置；氣爪采用SMC 牌氣爪，確保穩(wěn)定夾持，安全使用；喂料倉(cāng)則由氣缸動(dòng)作分別實(shí)現(xiàn)上料及定位，利用傳感器識(shí)別上料狀態(tài)，避免因上料狀態(tài)錯(cuò)誤導(dǎo)致的撞料等加工事故；接料倉(cāng)采用氣動(dòng)料道，配合下料機(jī)械手動(dòng)作，卸料時(shí)料道進(jìn)入機(jī)械手軌道接料，接料后撤出，以防撞擊、擴(kuò)大機(jī)械手運(yùn)行空間。整體上下料機(jī)構(gòu)設(shè)有位移傳感器控制料的抓取和放置，并對(duì)傳動(dòng)絲杠配置了自潤(rùn)滑裝置，以減少磨損［2］。自動(dòng)上下料系統(tǒng)改造實(shí)施后運(yùn)行穩(wěn)定，可靠。

3．2 旋轉(zhuǎn)成型系統(tǒng)的改造

為精確控制旋轉(zhuǎn)角度，旋轉(zhuǎn)成型系統(tǒng)的改造同樣采用伺服電機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)周向運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)通過(guò)同步齒輪帶與同步輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，同步輪與齒輪同軸傳動(dòng)，齒輪與齒條配合將運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為扇形托板工裝的周向運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。以扇形托板旋轉(zhuǎn)中心軸專用工裝環(huán)形軌道為支撐，確保運(yùn)行穩(wěn)定；旋轉(zhuǎn)中心軸及環(huán)形軌道均為精加工成型，保證了球面加工的成型精度；環(huán)形齒條和齒輪配合采用小模數(shù)設(shè)計(jì)，結(jié)合伺服電機(jī)與同步帶輪傳動(dòng)，使圓錐面加工成型

圖2 旋轉(zhuǎn)成型系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

角度更加精準(zhǔn)，極大程度提高了工件完工后的一致性［3］。同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)動(dòng)作角度與速度的可調(diào)可控性。

3．3 進(jìn)給系統(tǒng)的改造

進(jìn)給系統(tǒng)改造采用磨輪固定，工件在夾具帶動(dòng)下進(jìn)給實(shí)現(xiàn)磨削；進(jìn)給絲杠安裝在扇形托板上，配置合理的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)給功能，如圖3所示。零件旋轉(zhuǎn)是依靠氣動(dòng)壓輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的傳動(dòng)，經(jīng)試驗(yàn)，選用同步帶進(jìn)行傳動(dòng)，可減少打滑、確保運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定［4］。

圖3 進(jìn)給系統(tǒng)改造

3．4 控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

配套實(shí)施的控制系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行控制，降低了成本；單獨(dú)配置有電器柜，設(shè)有外置觸摸屏，可進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)操作，對(duì)不同的加工產(chǎn)品調(diào)用不同的加工程序即可；更換產(chǎn)品無(wú)需對(duì)控制部分進(jìn)行調(diào)整，只需對(duì)料倉(cāng)進(jìn)行調(diào)整即可；配置有報(bào)警提示功能，有故障及時(shí)停機(jī)，防止出現(xiàn)誤操作。

3．5 改造方案的后期改進(jìn)

加工設(shè)備改造完成后，環(huán)形導(dǎo)軌、齒條與配合齒輪、工裝旋轉(zhuǎn)中心軸損壞概率增加，導(dǎo)致工件球面成型不合格，且更換不方便，影響生產(chǎn)效率。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，環(huán)形齒條與齒輪配合間隙變大是造成工件球面成型不合格的原因，而其原因除與制造、安裝精度有關(guān)外，還與改造后的設(shè)備結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。改造安裝完成后進(jìn)給伺服電機(jī)系統(tǒng)整體懸置于環(huán)形導(dǎo)軌外側(cè)，形成懸臂結(jié)構(gòu)；同時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度決定了中心軸的工作面，在高頻率的使用過(guò)程中，導(dǎo)致齒條工作部位局部磨損嚴(yán)重，而懸臂結(jié)構(gòu)則加劇了這種磨損。

為此，筆者提出了改進(jìn)方案：旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)與自動(dòng)上下料系統(tǒng)維持原有方式，但對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了較大的改動(dòng)。改進(jìn)方案借用了原設(shè)備進(jìn)給托板結(jié)構(gòu)，將進(jìn)給絲杠進(jìn)行改造后，與伺服電機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給托板自動(dòng)進(jìn)給控制，如圖4所示。原設(shè)備托板導(dǎo)軌具有很好地承重及耐磨性能，且改進(jìn)后的設(shè)備結(jié)構(gòu)減少了扇形托板的承重量，整體結(jié)構(gòu)更加合理，降低了旋轉(zhuǎn)中心軸與環(huán)形導(dǎo)軌的磨損，以及維護(hù)維修頻率，提高了生產(chǎn)效率。

圖4 改進(jìn)后的進(jìn)給系統(tǒng)

改進(jìn)后的進(jìn)給系統(tǒng)摒棄了原磨輪固定、工件進(jìn)給的方式，改為工件固定、磨輪進(jìn)給的加工方式；利用高精度外圓磨原有砂輪進(jìn)給構(gòu)件并進(jìn)行自動(dòng)化改造，將原來(lái)的油壓進(jìn)給系統(tǒng)改造為伺服電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)。改造過(guò)程中整體改動(dòng)加大，絲杠與伺服電機(jī)安裝需要在拆除液壓裝置后重新固定，并加裝潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)，確保機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定；改進(jìn)后設(shè)備的重復(fù)定位精度得到很大提高，解決了原液壓控制油壓不穩(wěn)造成定位精度不高的問(wèn)題，使加工更加穩(wěn)定、成型質(zhì)量更加可控。改進(jìn)后整體旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行更加平穩(wěn)，平衡度更加可靠，磨損問(wèn)題減少，托板導(dǎo)軌、旋轉(zhuǎn)心軸及齒輪齒條的磨損明顯降低，達(dá)到了預(yù)期的效果。

3．6 改造前后效果對(duì)比

設(shè)備改造完成后，整體成型加工質(zhì)量得到有效控制，下機(jī)合格率達(dá)到99%以上；通過(guò)對(duì)整體加工精度的控制，圓錐面角度加工一致性明顯好于以往，單個(gè)指標(biāo)Cp 值大于1．2；球面燒傷的比例明顯降低，后期配合磨輪選擇、工藝參數(shù)試驗(yàn)等改進(jìn)措施，可將整體成型面磨燒傷率控制為不大于5%；勞動(dòng)力數(shù)量及勞動(dòng)強(qiáng)度也明顯降低，通過(guò)對(duì)6臺(tái)設(shè)備的改造，用工由原來(lái)的12人減少到4人，且大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)備自動(dòng)化改造的成功實(shí)施，不僅解決了企業(yè)用工問(wèn)題，也為異形面加工設(shè)備的改造提供了可靠的依據(jù)。專用設(shè)備自動(dòng)化改造首次應(yīng)用了自動(dòng)上下料、自動(dòng)加工系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一人多機(jī)操作，節(jié)省勞動(dòng)力60%。此外，異形零件加工在很多方面都得采用專機(jī)加工，整體自動(dòng)化加工設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用較高，自主改造能夠有效降低費(fèi)用，效果明顯。

紡機(jī)制造行業(yè)沿襲了以往大批量流水線加工方式，在目前人工費(fèi)用高的情況下，如何做好自動(dòng)化改造，打造智能制造的加工優(yōu)勢(shì)，是擺在每個(gè)紡機(jī)企業(yè)面前的課題。通過(guò)設(shè)備自動(dòng)化改造，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為未來(lái)實(shí)施自動(dòng)化提供有效依據(jù)。