陳 韜

（上海宏金設(shè)備工程有限公司，上海 201599）

機(jī)加工是指通過(guò)機(jī)械設(shè)備對(duì)工件的性能、形狀或尺寸進(jìn)行加工的過(guò)程。本文所述的機(jī)加工產(chǎn)品是把原材料通過(guò)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行切削加工生產(chǎn)的產(chǎn)品。目前，此產(chǎn)品常規(guī)的加工工藝為原材料下料、加工工件內(nèi)孔、加工工件內(nèi)定位槽、加工工件外圓、加工工件外螺紋以及切斷。

本文所研究的自動(dòng)化設(shè)備將數(shù)控車(chē)床、送料機(jī)、機(jī)械手以及排屑機(jī)4臺(tái)機(jī)床組合為一套設(shè)備。整套設(shè)備通過(guò)PLC伺服系統(tǒng)控制，只需一鍵啟動(dòng)，就可完成整個(gè)產(chǎn)品的加工和擺放，能夠自動(dòng)收集廢屑。全套設(shè)備操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度非常高，降低了人工成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

1 產(chǎn)品詳細(xì)信息介紹

本文所述的機(jī)加工產(chǎn)品（圖1）需要加工的工藝較復(fù)雜，包括產(chǎn)品外圓加工、外螺紋加工、內(nèi)孔加工、內(nèi)臺(tái)階孔加工以及內(nèi)定位槽加工等。加工要求按照GB/T 1800.1—2009 IT12類(lèi)精度尺寸公差進(jìn)行處理，表面粗糙度要求為3.2 μm。所有加工表面均不允許出現(xiàn)毛刺。

圖1 產(chǎn)品圖

2 產(chǎn)品的傳統(tǒng)加工工藝

產(chǎn)品的傳統(tǒng)加工工藝包括六角棒料下料、粗加工外圓、加工內(nèi)孔、加工內(nèi)臺(tái)階孔、加工內(nèi)定位槽、精加工外圓、加工螺紋以及割斷。8道工序中，六角棒料下料用帶鋸床完成，其余工序采用普通車(chē)床或數(shù)控車(chē)床均可加工。各道工序通過(guò)更換不同的刀具完成工件的加工。主要刀具為外圓刀、鉆頭、內(nèi)孔臺(tái)階刀、銑刀、螺紋刀以及割刀。棒料下料采用帶鋸床進(jìn)行加工，批量下料。粗加工外圓由一臺(tái)車(chē)床完成加工。工件內(nèi)孔、內(nèi)臺(tái)階孔以及內(nèi)定位槽由一臺(tái)車(chē)床完成加工，中間由操作者更換刀具，完成3道工序間的切換。精加工外圓、螺紋以及割斷由一臺(tái)車(chē)床完成加工，中間由操作者更換刀具，完成3道工序間的切換。整套工序需4臺(tái)機(jī)床和4名操作工完成，加工的廢屑需手工清理，全為手工作業(yè)，無(wú)自動(dòng)化作業(yè)工序，加工效率較低[1]。

3 自動(dòng)化設(shè)備的組成介紹

所涉及的自動(dòng)化加工設(shè)備由自動(dòng)送料機(jī)、數(shù)控車(chē)床、機(jī)械手以及排屑機(jī)組成，如圖2所示。成套設(shè)備動(dòng)作順序由PLC伺服系統(tǒng)控制。

圖2 自動(dòng)化加工設(shè)備

3.1 自動(dòng)送料機(jī)

自動(dòng)棒料送料機(jī)是自動(dòng)為可循環(huán)加工設(shè)備輸送材料的機(jī)器。輸送的材料有多種，如圓棒料、空心棒料以及六角棒料等。本文所述的棒料為六角棒料。此送料機(jī)也稱(chēng)為油浴送料機(jī)，主要工作原理是以恒定的動(dòng)力為料管送油，推動(dòng)推桿將六角棒料送入機(jī)床主軸，通過(guò)更換不同型號(hào)的料夾來(lái)輸送不同規(guī)格的棒料。

3.2 數(shù)控車(chē)床

數(shù)控車(chē)床是目前最常用的加工機(jī)床，主要用于加工軸零件。這些零件會(huì)根據(jù)預(yù)先準(zhǔn)備的加工程序自動(dòng)進(jìn)行加工。目前，最常用的數(shù)控加工機(jī)是C6132數(shù)控車(chē)床。如圖3所示，本工件加工所使用的刀具為“一”字型設(shè)計(jì)，固定在一個(gè)刀架上。刀具都編有相應(yīng)的刀具號(hào)。加工時(shí)程序按順序調(diào)用相應(yīng)的刀具。刀具中擋板用以定位六角棒。其中，用銑刀加工內(nèi)定位槽時(shí)，機(jī)床主軸停止，銑刀通過(guò)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行加工。程序之間通過(guò)切換來(lái)保證定位槽的加工。其余刀具按加工工藝順序進(jìn)行加工。

圖3 刀架設(shè)計(jì)圖

3.3 機(jī)械手

機(jī)械手是一種能模擬人手臂的動(dòng)作，用以按程序抓取和擺放工件的自動(dòng)操作設(shè)備。本文所述的機(jī)械手（圖4）由直線模組、滑臺(tái)氣缸、平行夾、取料爪、伸縮氣缸以及旋轉(zhuǎn)氣缸等組成，由PLC控制系統(tǒng)控制動(dòng)作順序。完成加工零件后，機(jī)械手進(jìn)入機(jī)床內(nèi)取出零件并放在零件的放置框中[2]。

圖4 機(jī)械手設(shè)計(jì)圖

3.4 排屑機(jī)

排屑機(jī)主要用于傳輸各種廢屑，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)機(jī)床。它將廢屑傳輸?shù)脚判架?chē)上，將過(guò)濾箱安裝在排屑小車(chē)中間，以分離和回收所有冷卻液。本套自動(dòng)加工設(shè)備應(yīng)用此類(lèi)型機(jī)床，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)收集廢屑和冷卻油。

3.5 PLC伺服控制系統(tǒng)

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種電子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境中使用而設(shè)計(jì)。它使用可編程內(nèi)存，在內(nèi)部存儲(chǔ)和執(zhí)行操作（如運(yùn)算）指令，并通過(guò)模擬或數(shù)字輸入和輸出控制不同類(lèi)型的生產(chǎn)操作或設(shè)備。

4 自動(dòng)化設(shè)備的工作過(guò)程與技術(shù)難點(diǎn)

4.1 原材料準(zhǔn)備、上料

操作員將六角棒料放到自動(dòng)送料機(jī)上，通過(guò)操作自動(dòng)送料機(jī)上的開(kāi)關(guān)，將棒料送入數(shù)控機(jī)床的夾頭內(nèi)，以備開(kāi)機(jī)加工。此道工序的主要問(wèn)題在于送料機(jī)和數(shù)控車(chē)床夾頭同軸度的調(diào)試。調(diào)試時(shí)將車(chē)床的夾頭拆下來(lái)，通過(guò)試棒調(diào)整送料機(jī)的料爪和車(chē)床的主軸在一條線上，再將夾頭套上試棒后安裝于主軸上夾緊試棒。試車(chē)試棒的頭部，檢查試棒的同軸度尺寸，不斷調(diào)試達(dá)到車(chē)床的精度要求。

4.2 工件的加工過(guò)程

操作員通過(guò)啟動(dòng)數(shù)控車(chē)床的啟動(dòng)按鈕，操作設(shè)備開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。六角棒伸出，接觸到刀架上的擋板后停止伸出，此時(shí)車(chē)床夾頭夾住六角棒，伸出的工件長(zhǎng)度相等，主軸開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。刀架由程序控制開(kāi)始移動(dòng)，外圓刀與棒料接觸進(jìn)行工件外圓的粗加工。加工時(shí)根據(jù)程序設(shè)置的切削量和加工次數(shù)分3刀加工外圓。加工完工件的外圓，刀架移動(dòng)，將鉆頭移動(dòng)到主軸中心位置，加工工件的內(nèi)孔，一次加工到位。加工完內(nèi)孔，刀架移動(dòng)，臺(tái)階刀移動(dòng)到主軸中心位置，加工工件的內(nèi)臺(tái)階孔。內(nèi)臺(tái)階孔刀根據(jù)工件內(nèi)孔的形狀進(jìn)行定制，并在加工時(shí)一次完成工件內(nèi)臺(tái)階孔的加工。

臺(tái)階孔加工完后需加工工件內(nèi)定位槽。由于內(nèi)定位槽只在工件內(nèi)側(cè)一個(gè)方向上，因此此時(shí)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)法完成定位槽加工。常規(guī)工藝在此處會(huì)遇到瓶頸，多由二次加工完成。二次裝夾加工無(wú)法保證工件的尺寸精度，還會(huì)提高生產(chǎn)成本。本套自動(dòng)設(shè)備通過(guò)反向設(shè)計(jì)，內(nèi)定位槽加工時(shí)車(chē)床主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，銑刀加工刀具轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成。通過(guò)動(dòng)力頭和電動(dòng)機(jī)來(lái)提供刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力。設(shè)計(jì)刀架時(shí)，需考慮動(dòng)力頭和電機(jī)的安裝方式（圖5），在刀架的右側(cè)通過(guò)4顆螺絲將動(dòng)力頭固定于刀架上，同時(shí)在動(dòng)力頭上方安裝三相異步電機(jī)（220 V、5 kW）。動(dòng)力頭與電機(jī)通過(guò)皮帶連接，銑刀安裝于動(dòng)力頭頭部。加工時(shí)通過(guò)刀架移動(dòng)，將銑刀移動(dòng)到主軸中心位置，此時(shí)車(chē)床主軸鎖死，銑刀轉(zhuǎn)動(dòng)，加工內(nèi)定位槽，一次切削完成。

內(nèi)定位槽加工完后精加工工件外圓，此時(shí)主軸恢復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，刀架移動(dòng)將外圓刀移動(dòng)到加工面處，完成工件外圓的精加工。工件外圓加工完后需加工工件螺紋。刀架移動(dòng)將螺紋刀移動(dòng)到螺紋加工處，根據(jù)程序設(shè)置的切削量，三刀切削完工件螺紋。刀架繼續(xù)移動(dòng)，割刀按程序移到到切割面處將工件割斷，至此道工序工件完成加工。加工過(guò)程中需對(duì)加工面處噴冷卻油，進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑。

4.3 工件的抓取和擺放

本套自動(dòng)加工設(shè)備采用機(jī)械手對(duì)工件進(jìn)行抓取和擺放。傳統(tǒng)的工藝一般對(duì)加工完的工件進(jìn)行取料后無(wú)法按矩陣自動(dòng)擺放。本套設(shè)備通過(guò)兩套機(jī)械手組合動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)取料和擺放，如圖6所示。機(jī)械手1和工件放置框由直線模組來(lái)控制移動(dòng)動(dòng)作，機(jī)械手2由滑臺(tái)氣缸來(lái)控制移動(dòng)動(dòng)作。當(dāng)上道工序進(jìn)行割斷作業(yè)時(shí)，機(jī)械手1通過(guò)直線模組帶動(dòng)進(jìn)入機(jī)床內(nèi)。機(jī)械手1進(jìn)入機(jī)床后，其前端的取料針在伸縮氣缸的控制下插入到工件的內(nèi)孔中，工件割斷掉落時(shí)正好落在取料針上，此時(shí)工件和機(jī)械手1跟隨絲桿往外運(yùn)動(dòng)退出機(jī)床，直線模組停止運(yùn)動(dòng)，伸縮氣缸后邊的旋轉(zhuǎn)氣缸按90°進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將先前水平方向放置的工件旋轉(zhuǎn)為垂直方向放置。隨后，機(jī)械手2的滑臺(tái)氣缸往下運(yùn)動(dòng)到達(dá)垂直放置的工件，其前端的取料抓在平行夾的帶動(dòng)下夾緊工件，此時(shí)機(jī)械手1的伸縮氣缸收回取料針，脫離工件并回到原始位置。在夾緊工件后，機(jī)械手2繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)至工件放置框內(nèi)后，平行夾松開(kāi)，工件自動(dòng)進(jìn)入放置框內(nèi)，機(jī)械手2退回到原始位置。工件放置框按16×16的矩陣進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，可保證每個(gè)工件放入到指定位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)擺放。

圖5 動(dòng)力頭安裝設(shè)計(jì)圖

圖6 機(jī)械手1和機(jī)械手2的配合動(dòng)作圖

4.4 廢屑的收集

加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢屑均由數(shù)控車(chē)床直接進(jìn)入排屑機(jī)內(nèi)。本套自動(dòng)加工設(shè)備在排屑機(jī)上搭載時(shí)間控制系統(tǒng)，用時(shí)間繼電器控制機(jī)器的啟停，節(jié)省設(shè)備的能耗，定時(shí)啟動(dòng)排屑機(jī)將廢屑由鉸鏈傳送到設(shè)備外的排屑小車(chē)內(nèi)，并在小車(chē)內(nèi)完成油屑分離，自動(dòng)收集廢屑和冷卻油。

4.5 控制系統(tǒng)

此套全自動(dòng)加工設(shè)備由2套PLC系統(tǒng)控制、1套數(shù)控車(chē)床和1套機(jī)械手組成。2套系統(tǒng)程序自動(dòng)對(duì)接，所有命令的發(fā)布均由控制系統(tǒng)控制。每個(gè)程序及其邏輯性是保證工件自動(dòng)化加工的關(guān)鍵，是整套全自動(dòng)加工設(shè)備的大腦，在自動(dòng)化設(shè)備中具有重要作用。

5 效益對(duì)比

5.1 傳統(tǒng)設(shè)備

流水作業(yè)中，4名操作工協(xié)調(diào)完成一件產(chǎn)品，1名操作工同時(shí)操作2臺(tái)設(shè)備，總設(shè)備為8臺(tái)（2組）。1組設(shè)備日產(chǎn)量1 000件，總?cè)债a(chǎn)量2 000件。

5.2 全自動(dòng)加工設(shè)備

統(tǒng)一按4名操作工計(jì)算，1名操作工可以同時(shí)操作6臺(tái)設(shè)備，總設(shè)備為24臺(tái)。每臺(tái)設(shè)備日產(chǎn)量為450件，總?cè)债a(chǎn)量10 800件。

5.3 效益對(duì)比

由圖7可知，相同操作工的情況下，全自動(dòng)加工設(shè)備日產(chǎn)量是傳統(tǒng)設(shè)備的5倍。在投入全自動(dòng)加工設(shè)備后，企業(yè)節(jié)省了10名操作工的編制，減少了管理成本，大幅提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

圖7 相同操作工的日產(chǎn)量對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

本套機(jī)加工產(chǎn)品的全自動(dòng)加工設(shè)備的開(kāi)發(fā)，解決了傳統(tǒng)制造業(yè)人工成本越來(lái)越高的問(wèn)題。全套設(shè)備自動(dòng)化程度較高，整個(gè)操作過(guò)程只需一鍵啟動(dòng)，就可以完成整個(gè)工件的加工，能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的要求。在機(jī)加工產(chǎn)品的加工范疇內(nèi)，本套全自動(dòng)加工設(shè)備具有非常高的推廣性，可廣泛運(yùn)用于各機(jī)加工生產(chǎn)企業(yè)和自動(dòng)化領(lǐng)域。