GLS桁架自動化加工單元的結構研究及應用

■ 沈陽機床股份有限公司 （遼寧 110142）

王力斌 馬 龍 劉 萍

近年來，隨著社會經濟的發展，人力成本逐漸增加，在機加工行業中降低工人勞動強度，提高生產效率，減少人力成本才能更好的適應市場競爭的需要。因此，必須利用先進設備生產自動化機械以取代人的勞動，滿足工業自動化的需求，才能更好的適應市場競爭的需要。其中機械手是其發展過程中的重要產物之一，它不僅提高了勞動生產的效率，還能代替人工完成高強度、危險、重復枯燥的工作，減輕人的勞動強度。在機械行業中，機械手越來越廣泛的得到應用，它可用于零部件的組裝，加工工件

的搬運、裝卸，目前機械手已發展成為柔性制造系統F M S和柔性制造單元F M C中的重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統或柔性制造單元，可以節省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。把數控機床和機械手共同構成一個柔性制造單元，實現加工過程的靈活性、自動化和無人化，它適合于機械零件的大批量生產。

目前我國大多數工廠的生產線上數控機床裝卸工件仍由人工完成，其勞動強度大、生產效率低，已經滿足不了生產自動化的發展趨勢。為了提高工作效率，降低成本，并使生產線發展成為柔性制造系統，適應現代機械行業自動化生產的要求，針對具體生產工藝，結合機床的實際結構，利用機械手技術，設計用一臺上下料機械手代替人工工作，以提高勞動生產率。桁架自動化加工單元具有自動上下料、自動翻面、自動檢測等功能，可以實現零件從毛坯到成品的全部加工工序。該單元由兩臺數控車床、一套桁架機器人、旋轉料庫、成品料庫及翻面機構等組成，結構布局緊湊，占地面積小、上下料路徑優，操作便捷。

1. 桁架自動化加工單元

（1）自動化加工單元的布局。自動化加工單元由一套桁架機器人與兩臺數控車床串聯組成，毛坯旋轉料庫位于自動線左側，成品料庫位于自動線右側，工件翻面模塊位于兩臺機床中間立柱處（見圖1），左側為第1序OP10數控機床，右側為第2序OP20數控機床。桁架機器人負責從料庫去料并完成此兩臺機床的上下料，1序到2序之間要經過翻面平臺進行一次翻面。

圖1 桁架自動化加工單元布局圖

（2）總體結構設計及主要技術參數。在兩臺數控機床中間用兩根立柱支撐橫梁導軌，兩根立柱在高度方向設計可調，此結構具有節省空間的特點，占地面積小，結構緊湊。橫梁導軌采用齒輪齒條傳動，采用潤滑毛氈齒輪和集中潤滑系統對傳動齒輪進行有效的潤滑和冷卻，采用大模數的斜齒輪齒條傳動，有效地降低了工作噪音。經過嚴格計算，選配出的驅動電動機使兩軸最大加速度為4m/s2，水平軸快移速度達到100m/m i n、豎直軸快移速度達到80m/min的設計要求。桁架機械手兩軸重復定位精度為±0.1mm，抓取重量為25kg(含手部)。

2. 桁架自動化加工單元的主要模塊結構

（1）旋轉料庫。自動線的毛坯料與成品料由16工位的旋轉托盤式料庫（見圖2）實現裝載，料庫可裝直徑為φ50～φ150mm的盤類零件，堆積料高可達到400mm，工件毛坯由人工放在旋轉料庫中，該料倉配置了上料與下料的兩個工位, 通過電動機和鏈條帶動的料庫旋轉已達到傳送物料的作用。料倉的上料與下料位處分別設置有兩套提升與下降機構，料庫執行程序根據信號自動控制，當上料與下料絲杠均移動到下極限位置時，兩個托板氣缸退回，轉位電動機帶動分割器實現托盤60°轉位。轉位完成后托板氣缸均推出，上料與下料絲杠上移到對應的感應開關位置，此時旋轉料庫配合機械手的取料和放料，依靠對射開關控制上、下料提升機構的自動運行。實現與機械手模塊的上下料動作。料倉由傳感器感應信號控制上下料的升降，以及每次動作的行程。

（2）機械手模塊（見圖3）。機械手模塊由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作，上下料效率高。兩個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。手爪設計成可調結構，以適應零件外徑尺寸的變化。氣爪配有工件彈出機構，保證在上料時，工件定位面可靠的壓在卡盤夾具的定位面上，保證工件加工的上料穩定性。

圖3 機械手示意圖

圖2 料庫示意圖

（3）工件翻面模塊。翻面模塊采用氣動單元的有機組合來實現工件兩序之間的換面操作（見圖4）。由于零件是按照兩序加工的，考慮到自動線的結構緊湊性和翻轉的快速可靠性，因此，在自動線的兩序之間加一個翻轉工位來實現對工件的180°翻轉。具體工件動作為：上料時，機械手模塊將工件放置在帶導桿氣缸的定位盤上，寬型氣爪將工件夾緊，帶導桿氣缸退回，擺臺帶動寬型氣爪完成180°翻面，帶導桿氣缸伸出接住工件，寬型氣爪松開。機械手模塊將工件抓走。

圖4 翻面裝置

（4）人工抽檢臺。自動線設有人工固定檢測平臺（見圖5），可根據客戶工藝要求，編程設置完成指定數目的工件后機器人就自動放置一個成品到檢測平臺就進行抽檢，操作者可以將放在固定平臺上的工件拿走進行人工測量。

圖5 檢測臺示意圖

3. 桁架機械手工作流程節拍和零件加工節拍實例

桁架自動化加工單元要求自動線工作流程節拍小于或等于機床加工零件的最大節拍，才可保證生產線的最大加工效率。桁架機械手的工作流程可分為以下6步：①機械手從料庫上料區抓料至機床OP10上方。②機械手將工件送進OP10機床，裝卸料，然后運行至翻面區上方。③機械手將工件放入翻轉臺手爪內，然后翻轉裝置將工件換面。④機械手從翻轉臺抓取第1序成品，翻轉臺回轉并返回至起始位置。⑤機械手將工件放進OP20機床，裝卸料，然后運行至料庫下料區。⑥機械手下料，并返回至料庫上料區上方等待。每個工作流程都是按照上述6步循環。桁架機械手動作節拍如附表所示。

桁架機械手動作節拍表

以加工的φ92mm離合器盤轂為例，第1序加工時間為70s，第2序加工時間為66s。而機械手的節拍為62s，小于零件兩序的加工節拍，故此機械手自動線滿足機床處于最大利用率的要求。

4. 結語

桁架自動化加工單元應用在機加工生產線，大大提高了機械加工的自動化程度，生產效率大幅度提高，大大的解放了勞動力，節約了人力成本，給用戶帶來可觀的經濟效益。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，是未來機加工行業的發展方向。該加工單元的成功應用，使得數控加工技術更加錦上添花。