GLS桁架自動(dòng)化加工單元的結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用

■ 沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司 （遼寧 110142）

王力斌 馬 龍 劉 萍

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人力成本逐漸增加，在機(jī)加工行業(yè)中降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，減少人力成本才能更好的適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。因此，必須利用先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)自動(dòng)化機(jī)械以取代人的勞動(dòng)，滿足工業(yè)自動(dòng)化的需求，才能更好的適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。其中機(jī)械手是其發(fā)展過(guò)程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動(dòng)生產(chǎn)的效率，還能代替人工完成高強(qiáng)度、危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度。在機(jī)械行業(yè)中，機(jī)械手越來(lái)越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝，加工工件

的搬運(yùn)、裝卸，目前機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)F M S和柔性制造單元F M C中的重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。把數(shù)控機(jī)床和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性制造單元，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的靈活性、自動(dòng)化和無(wú)人化，它適合于機(jī)械零件的大批量生產(chǎn)。

目前我國(guó)大多數(shù)工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。為了提高工作效率，降低成本，并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的要求，針對(duì)具體生產(chǎn)工藝，結(jié)合機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)，利用機(jī)械手技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺(tái)上下料機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。桁架自動(dòng)化加工單元具有自動(dòng)上下料、自動(dòng)翻面、自動(dòng)檢測(cè)等功能，可以實(shí)現(xiàn)零件從毛坯到成品的全部加工工序。該單元由兩臺(tái)數(shù)控車(chē)床、一套桁架機(jī)器人、旋轉(zhuǎn)料庫(kù)、成品料庫(kù)及翻面機(jī)構(gòu)等組成，結(jié)構(gòu)布局緊湊，占地面積小、上下料路徑優(yōu)，操作便捷。

1. 桁架自動(dòng)化加工單元

（1）自動(dòng)化加工單元的布局。自動(dòng)化加工單元由一套桁架機(jī)器人與兩臺(tái)數(shù)控車(chē)床串聯(lián)組成，毛坯旋轉(zhuǎn)料庫(kù)位于自動(dòng)線左側(cè)，成品料庫(kù)位于自動(dòng)線右側(cè)，工件翻面模塊位于兩臺(tái)機(jī)床中間立柱處（見(jiàn)圖1），左側(cè)為第1序OP10數(shù)控機(jī)床，右側(cè)為第2序OP20數(shù)控機(jī)床。桁架機(jī)器人負(fù)責(zé)從料庫(kù)去料并完成此兩臺(tái)機(jī)床的上下料，1序到2序之間要經(jīng)過(guò)翻面平臺(tái)進(jìn)行一次翻面。

圖1 桁架自動(dòng)化加工單元布局圖

（2）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及主要技術(shù)參數(shù)。在兩臺(tái)數(shù)控機(jī)床中間用兩根立柱支撐橫梁導(dǎo)軌，兩根立柱在高度方向設(shè)計(jì)可調(diào)，此結(jié)構(gòu)具有節(jié)省空間的特點(diǎn)，占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊。橫梁導(dǎo)軌采用齒輪齒條傳動(dòng)，采用潤(rùn)滑毛氈齒輪和集中潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)傳動(dòng)齒輪進(jìn)行有效的潤(rùn)滑和冷卻，采用大模數(shù)的斜齒輪齒條傳動(dòng)，有效地降低了工作噪音。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算，選配出的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使兩軸最大加速度為4m/s2，水平軸快移速度達(dá)到100m/m i n、豎直軸快移速度達(dá)到80m/min的設(shè)計(jì)要求。桁架機(jī)械手兩軸重復(fù)定位精度為±0.1mm，抓取重量為25kg(含手部)。

2. 桁架自動(dòng)化加工單元的主要模塊結(jié)構(gòu)

（1）旋轉(zhuǎn)料庫(kù)。自動(dòng)線的毛坯料與成品料由16工位的旋轉(zhuǎn)托盤(pán)式料庫(kù)（見(jiàn)圖2）實(shí)現(xiàn)裝載，料庫(kù)可裝直徑為φ50～φ150mm的盤(pán)類(lèi)零件，堆積料高可達(dá)到400mm，工件毛坯由人工放在旋轉(zhuǎn)料庫(kù)中，該料倉(cāng)配置了上料與下料的兩個(gè)工位, 通過(guò)電動(dòng)機(jī)和鏈條帶動(dòng)的料庫(kù)旋轉(zhuǎn)已達(dá)到傳送物料的作用。料倉(cāng)的上料與下料位處分別設(shè)置有兩套提升與下降機(jī)構(gòu)，料庫(kù)執(zhí)行程序根據(jù)信號(hào)自動(dòng)控制，當(dāng)上料與下料絲杠均移動(dòng)到下極限位置時(shí)，兩個(gè)托板氣缸退回，轉(zhuǎn)位電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)分割器實(shí)現(xiàn)托盤(pán)60°轉(zhuǎn)位。轉(zhuǎn)位完成后托板氣缸均推出，上料與下料絲杠上移到對(duì)應(yīng)的感應(yīng)開(kāi)關(guān)位置，此時(shí)旋轉(zhuǎn)料庫(kù)配合機(jī)械手的取料和放料，依靠對(duì)射開(kāi)關(guān)控制上、下料提升機(jī)構(gòu)的自動(dòng)運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)與機(jī)械手模塊的上下料動(dòng)作。料倉(cāng)由傳感器感應(yīng)信號(hào)控制上下料的升降，以及每次動(dòng)作的行程。

（2）機(jī)械手模塊（見(jiàn)圖3）。機(jī)械手模塊由1套帶有直線氣缸的抓手支架和1套氣爪組成，可同步完成上料與下料動(dòng)作，上下料效率高。兩個(gè)氣爪均采用卡工件外圓方式，單套氣爪抓取工件最大重量為5kg，要求氣源壓力為0.5MPa以上。手爪設(shè)計(jì)成可調(diào)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)零件外徑尺寸的變化。氣爪配有工件彈出機(jī)構(gòu)，保證在上料時(shí)，工件定位面可靠的壓在卡盤(pán)夾具的定位面上，保證工件加工的上料穩(wěn)定性。

圖3 機(jī)械手示意圖

圖2 料庫(kù)示意圖

（3）工件翻面模塊。翻面模塊采用氣動(dòng)單元的有機(jī)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)工件兩序之間的換面操作（見(jiàn)圖4）。由于零件是按照兩序加工的，考慮到自動(dòng)線的結(jié)構(gòu)緊湊性和翻轉(zhuǎn)的快速可靠性，因此，在自動(dòng)線的兩序之間加一個(gè)翻轉(zhuǎn)工位來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的180°翻轉(zhuǎn)。具體工件動(dòng)作為：上料時(shí)，機(jī)械手模塊將工件放置在帶導(dǎo)桿氣缸的定位盤(pán)上，寬型氣爪將工件夾緊，帶導(dǎo)桿氣缸退回，擺臺(tái)帶動(dòng)寬型氣爪完成180°翻面，帶導(dǎo)桿氣缸伸出接住工件，寬型氣爪松開(kāi)。機(jī)械手模塊將工件抓走。

圖4 翻面裝置

（4）人工抽檢臺(tái)。自動(dòng)線設(shè)有人工固定檢測(cè)平臺(tái)（見(jiàn)圖5），可根據(jù)客戶工藝要求，編程設(shè)置完成指定數(shù)目的工件后機(jī)器人就自動(dòng)放置一個(gè)成品到檢測(cè)平臺(tái)就進(jìn)行抽檢，操作者可以將放在固定平臺(tái)上的工件拿走進(jìn)行人工測(cè)量。

圖5 檢測(cè)臺(tái)示意圖

3. 桁架機(jī)械手工作流程節(jié)拍和零件加工節(jié)拍實(shí)例

桁架自動(dòng)化加工單元要求自動(dòng)線工作流程節(jié)拍小于或等于機(jī)床加工零件的最大節(jié)拍，才可保證生產(chǎn)線的最大加工效率。桁架機(jī)械手的工作流程可分為以下6步：①機(jī)械手從料庫(kù)上料區(qū)抓料至機(jī)床OP10上方。②機(jī)械手將工件送進(jìn)OP10機(jī)床，裝卸料，然后運(yùn)行至翻面區(qū)上方。③機(jī)械手將工件放入翻轉(zhuǎn)臺(tái)手爪內(nèi)，然后翻轉(zhuǎn)裝置將工件換面。④機(jī)械手從翻轉(zhuǎn)臺(tái)抓取第1序成品，翻轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)并返回至起始位置。⑤機(jī)械手將工件放進(jìn)OP20機(jī)床，裝卸料，然后運(yùn)行至料庫(kù)下料區(qū)。⑥機(jī)械手下料，并返回至料庫(kù)上料區(qū)上方等待。每個(gè)工作流程都是按照上述6步循環(huán)。桁架機(jī)械手動(dòng)作節(jié)拍如附表所示。

桁架機(jī)械手動(dòng)作節(jié)拍表

以加工的φ92mm離合器盤(pán)轂為例，第1序加工時(shí)間為70s，第2序加工時(shí)間為66s。而機(jī)械手的節(jié)拍為62s，小于零件兩序的加工節(jié)拍，故此機(jī)械手自動(dòng)線滿足機(jī)床處于最大利用率的要求。

4. 結(jié)語(yǔ)

桁架自動(dòng)化加工單元應(yīng)用在機(jī)加工生產(chǎn)線，大大提高了機(jī)械加工的自動(dòng)化程度，生產(chǎn)效率大幅度提高，大大的解放了勞動(dòng)力，節(jié)約了人力成本，給用戶帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。該加工單元主要適用于多品種、高精度的加工，具有通用互換性，更具有柔性、精密、智能的特點(diǎn)，是未來(lái)機(jī)加工行業(yè)的發(fā)展方向。該加工單元的成功應(yīng)用，使得數(shù)控加工技術(shù)更加錦上添花。