數控軸承內外套圈自動生產線的研制及其關鍵技術

朱烈鋒，張新華

ZHU Lie-feng, ZHANG Xin-hua

（紹興文理學院 工學院，紹興 312000）

0 引言

在機械切削加工行業中，軸承套圈車削加工自動機床已為眾多軸承廠帶來了不少的效益，但在競爭越來越激烈的今天，由于此類自動機床的自動化程度不夠高，造成生產效率低，合格率低，機床維護難等方面的問題，已經不能滿足許多軸承生產廠家的要求。目前的機械切削加工軸承套圈行業中，主要存在以下問題：

1）生產效率低?；旧隙疾捎脙x表車進行手動車削、用氣動半自動儀表車車削及液壓半自動車床車削，生產效率低、產品報廢率高，而國外基本上都采用全自動切削加工方法，在相同的加工時間內生產效率是國內的1.5倍到2倍甚至更多。

2）產品質量差?？紤]到軸承套圈加工生產成本問題及國內套圈的加工能力正在慢慢提高，國際上軸承套圈的生產基地正在向國內轉移。現有的軸承生產廠家的設備因為開發晚，尚屬于勞動密集型產業，不但效率低，在車削生產過程中也容易造成產品質量一致性差，已遠遠不能達到國際上對軸承生產中過程控制的要求。

3）安全性差。因設備本身存在技術缺陷，原有的設備不是直接在機器上手動操作，就是幾個簡單的動作順序編程控制，容易對操作者造成工傷事故。

要解決上述問題，必須采用先進的機床來替代對軸承內外套圈的加工方法，把人從手動操作中解放出來，把機床的不安全性消除掉，而現有的國際上先進的軸承加工機床價格過高，并且因為軸承的加工技術工藝在每個大型生產廠家屬于有一定的自主研發機密成分，基本上除了在發達國家間有買賣存在外，國內無法購得先進的機床，在這種形勢下國內廠家對全自動軸承車削機床的需求正在日益加大。

1 系統組成

數控軸承內外套圈自動生產線由4 12臺DS-80軸承套圈數控車床、上料機構、輸送機構、下料機構、在線檢測裝置和控制系統組成，系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

自動生產線可根據用戶要求，靈活組成形式不同、長短不一的全自動或半自動流水線。強大的控制中心和通訊方式，保證各主機間的協調運轉。在自動生產線中，DS-80軸承套圈自動車床采用可編程控制器控制液壓、氣動及先進的電子原件，實現對軸承套圈的高效率、高精度自動化車削；同時每臺單機的車削任務都不一樣，則動作先后也就不一樣，并且所加工的軸承內圈與軸承外圈的加工位置也不同，這就要求每臺單機都儲備設置各種動作的模式[1]。

2 系統結構

系統采用分層體系結構，可分為路徑規劃層、控制層、執行層和本體層，其組成層次與關系如圖2所示：

圖2 系統的組成層次與關系圖

2.1 系統層次結構

規劃層：采用自行開發的控制程序，提供圖形編程界面，用戶只需通過拖拉圖邏輯組件，同時輸入必要的參數，系統將把圖形自動轉換成數控系統能接受的數據文件。

控制層：下位機采用可編程控制器OMRON CPM1A，它是整個系統的的控制中心。控制層通過應用程序接口與上位機交換信息，調用上位機中各種變量和參數，同時對整個系統進行協調。

執行層：包括各模塊的液壓缸、各部分限位開關、電磁閥系統以及操作面板。

本體層：該層為自行開發的軸承套圈車削機床，采用可變換夾具，實現軸承套圈的自動化車削加工。上下位機之間通過RS-232串行通訊的方式實時交換數據。

2.2 系統組成結構

系統采用模塊化設計思想，由七個模塊構成，主要為：控制中心模塊；刀具控制模塊；運動控制模塊；圖編程模塊；通訊模塊；文件管理模塊；參數配置模塊。其中，刀具控制模塊、圖編程模塊、文件管理模塊歸屬于規劃層；控制中心模塊、通訊模塊歸屬于控制層；參數配置模塊、運動控制模塊歸屬于執行層。

3 生產線的關鍵技術

3.1 自動在線檢測裝置

生產線安裝了氣壓自動在線檢測裝置，利用PLC進行控制，實現了對工件裝夾位置在加工過程中出現的異常進行及時報警、停機和自動復位，提高軸承加工質量，減少了工人勞動強度。氣動檢測原理示意圖如圖3所示。

圖3 氣動檢測原理示意圖

鐵屑、灰塵或某種原因而導致夾裝位置不良引起的產品報廢占極大比例，致使出次率升高、嚴重浪費材料，給用戶造成損失。而在裝夾工件的夾頭上安裝真空壓力自動在線檢測裝置，此裝置能對在加工過程中的工件裝夾進行在線自動檢測，若工件車削時有打滑，或夾裝不正確等現象，檢測裝置就會將信息反饋給系統，系統就會顯示異常，同時立即自動停止對工件的車削等，等工件正確裝夾后，系統又可以再次起動。這樣就能顯著降低出次率，減少因此造成的損失。

在生產前標準件被放入帶氣孔夾具內，氣壓檢測裝置獲得一個正常氣壓值，并把這個壓力信號傳輸到PLC編程控制器，此時編程控制器存儲這個壓力值，在生產中，一旦發生套圈材料沒有夾裝到位，此時帶氣孔夾具和材料間勢必存在間隙，造成有氣壓從間隙中流失，氣壓檢測裝置得到的氣壓就會和設定時的不一樣，而這個壓力信號傳輸到PLC編程控制器后，編程控制器與正常值比較即可判斷為異常信號，編程控制器立即對機器進行停止加工處理。同理，在軸承車削過程中，如發生工件打滑等現象，壓力信號也會將信號傳輸到PLC編程控制器，控制器會發出信號停止產品的繼續生產[2]。

氣體由氣壓自動在線檢測裝置的進氣口進入后，通過各氣流通道到達中空制動器尾部的漏氣檢測點（注：中空制動器尾部端面上隨圓周均布有三個小孔），若工件裝夾正確，其將漏氣檢測點堵塞，氣體就無法從漏氣檢測點漏出，氣壓就正常，運轉也就正常。若工件裝夾歪斜，其漏氣檢測點就漏氣，其工作氣壓就低，此時系統會顯示異常，并迅速停止運轉。其氣流路徑為：前端蓋進氣孔→軸襯→主軸→連接盤→中空連接盤→中空制動器。

3.2 工作臺定位設計

機床在高速運行情況下，其工作臺通過采用拉桿、極限開關和機械式流量調節閥技術，實現了高精度前后工作定位，提高了機床的安全性。

為了獲得較高的加工效率，機床通常在較快的運行速度下工作，此時由于工作臺的前后高速運動，會對限位裝置產生一定程度的碰撞，從而使前后工作定位的精度較差。本生產線機床在工作臺上附加了一個拉桿，拉桿的左側有連接裝置和機械式流量調節閥相接觸，右側有連接裝置和極限開關相接觸，在原始狀態下流量調節閥和極限開關是和拉桿不接觸的（如圖5所示）。

圖5 前后工作定位圖

在生產過程中，工作臺在液壓的驅動下快速向被加工材料靠近，當刀具快碰到材料時，此時機械式流量調節閥和拉桿接觸（這個位置在調整時已經調整好）工作臺的液壓被調節閥關小，速度減慢，工作臺向前的沖擊力也相應減小，在工作臺行程到達時觸及碰頭，同時極限開關也和拉桿接觸（碰頭與極限開關同時觸及是事先調整好的），極限開關在得到信號后將信號發送給PLC編程控制器，機器完成前進動作后返回，因本機器在前進的時候對流量進行了控制，同時在前進的最前端用極限開關和碰頭來準確有效的保證前進位置一致性，所以能有效減少工作臺對限位裝置的碰撞，保證其每次前后工作定位的精度，從而大大提高了加工尺寸的精度。

而在國內，車床通常使用接近開關，它是一種非接觸式的位置開關，一般檢測物體為非磁性金屬，并且其根據檢測物體材料的不同，檢測距離有著顯著的差別，因此容易受到干擾，精度較差，同時對接觸到的人體部位不能檢測，導致安全性差。

本生產線車床對所有限位開關使用極限開關，因限位開關屬于微動開關的種類，一旦碰到后就會得到信號，此時機床就會在信號得到后停止加工周期的進行。

1. 彈性套筒；2. 夾爪圖6 可換式夾具

3.3 可換式夾具技術

采用可換式夾具技術，夾具拆卸方便，提高了設備使用壽命，也使的加工品種更加多樣。

普通車床夾具的夾頭都是用整體式的，夾頭經過一段時間的使用后，由于磨損使內孔相對變大而不能夠再使用，壽命比較短，更重要的是如果車床加工的產品規格改變，用戶就必須對夾頭進行整體更換（整體式夾頭制造工藝復雜，價格偏高），這樣就大大升高了拆卸成本，而且對夾頭進行更換時關聯的零件較多，耗時較多，并且拆裝非常不方便。本生產線產品采用如圖6所示的是可換式夾頭，夾頭里面再裝上夾爪，此夾爪是可以更換的，拆裝非常方便，只需十幾分鐘，就可以更換一付夾爪，而且成本較低，其價格是原來的五分之一還不到，為用戶不僅節約成本而且節省時省力。

此外，傳統國產自動切削車床的主軸和工作臺的位置通常都是固定不能變換的，加工的品種和規格都很單一，用戶要想改變切削方式也不可能。數控軸承內外套圈自動生產線的工作臺位置可根據用戶需要靈活安排，以適應各檔規格的加工要求和各種方式的車削要求。

4 結論

數控軸承內外套圈自動生產線基于計算機、網絡、制造技術的新的機械設計理念和方法，將上料、輸送、檢測、定位、加工、下料等機構有機集成，組成了高效的自動加工設備[3]，在生產線上可一次完成所有車削加工，具有切削精度和生產效率高、產品廢品率低、便于調整和維修等特點。

[1] 黃建龍, 黃志剛, 龔俊.軸承外圈幾何參數的自動檢測與分選系統[J]. 甘肅工業大學學報, 2002, 9: 52-55.

[2] 曾誼暉, 謝金水, 劉忠. 小型軸承套圈溝槽自動車床的研制[J]. 機床與液壓, 2003, 4: 169-170.

[3] 劉敏, 曲健. 圓錐軸承套圉車削自動線的研制[J]. 現代制造工程, 2005, 4: 112-113.