合金棒材端面定位孔成形專用設備的控制系統研究

張大偉

摘 要：隨著我國經濟的飛速發展，工業領域也發生了空前的巨變，對產品質量和加工效率的要求越來越嚴格，代替人工的自動化設備有了良好的發展空間，尤其是非標類的自動化設備更是工業發展中必不可少的產物。本論文中的設備——合金棒材端面定位孔成形專用設備是廈門鎢業股份有限公司技術中心研發的，該設備應用于硬質合金預燒坯棒材兩個端面定位孔的加工，其研發的目的是提高合金預燒坯加工的精確性與高效性。該設備采用“棒材轉動，兩端頂尖同時進給”的加工方式，能夠比較好的保證預燒坯的加工品質。該設備是自主研發的，在國內外沒有同樣的設備，在行業中屬于首創，屬于非標類設備。

關鍵詞：非標類設備；TwinCAT；運動控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.002

1 引言

隨著廈門鎢業股份有限公司合金非標產品的業務量逐年增加，對加工設備的要求也越來越嚴格。廈門金鷺特種合金有限公司合金一部大批量生產硬質合金預燒坯棒材系列產品，部分產品出廠前要經過一道工序——給合金預燒坯棒材的兩個端面鉆孔，產品加工前后的對比情況如下圖1所示，該工序對合金產品的質量影響極大。

由于硬質合金預燒培棒材系列產品生產量大、規格不一、易崩缺、易折斷，如果由人工手動給產品鉆孔，會面臨勞動強度大、多工序操作復雜、生產效率低、產品報廢率高、人身安全性差等諸多不利因素。因此公司迫切需要大批量自動化設備來代替人工。

通過調查考證發現，國內外生產合金預燒坯棒材端面定位孔的設備處于空白，MAZAK、ANCA、NUM等幾家國際知名的機床廠家的設備可以通過在現有的7軸數控系統加工平臺上增加程序模塊和改動加工機構等方式實現加工棒材定位孔，但費用昂貴，遠遠超出了預算。

綜合以上因素，公司只能獨立創新、自主研發出適合硬質合金預燒坯棒材系列產品端面定位孔成形的專用設備。自主研發適合專門產品的專用設備，既可以保證生產產品的工藝不外泄，又可以根據產品的特性升級和改善設備的功能，便于日后設備的維護。設備的示意圖如下圖2所示。

2 設備組成和功能介紹

合金棒材端面定位孔成形專用設備是我公司組織研發的一臺新型的合金預燒坯棒材系列產品端面定位孔加工設備，該設備是用于合金預燒坯棒材系列產品的端面定位孔成形工序，也是公司控制產品質量的最重要的環節之一。對設備的要求包括：安全性、穩定性、操作性、產品質量、日均產能、加工效率等。

設備的主要結構如下圖3、4、5所示：

“1-設備上罩”用鋁型材拼接組裝而成，物美價廉；

“2-設備下罩”用鈑金焊接、支撐機構加固后組裝而成，外形美觀大方；

“3-1#觸摸屏”1#觸摸屏在設備的正面，用于設備的操作；

“4-電氣柜”內部包含電氣元件。

“5-1#機械手”1#機械手由X1軸伺服電機、Y1軸伺服電機、升降氣缸和真空吸盤組成。在整個加工過程中1#機械手，一直處于工作狀態，1#石墨料盤處取待加工的料——送料到工作頭處加工——返回1#石墨料盤處取待加工的料；其中機械手部分的機構如下圖6所示，包含了若干氣缸切實保障了取放棒料的自動化運行。

“6-2#機械手”2#機械手由X2軸伺服電機、Y2軸伺服電機、升降氣缸和真空吸盤組成。在整個加工過程中2#機械手，一直處于工作狀態，工作頭處取加工好的產品——送產品到2#石墨料盤處——返回工作頭處取加工好的產品；其中機械手部分的機構如上圖6所示，兩組機械手形成對稱結構。

“7-工作頭”工作頭部分由Z1軸伺服電機、Z2軸伺服電機、Z3軸伺服電機、C軸三相異步電動機和旋轉夾頭組成。在此區域完成合金預燒坯棒料的鉆孔工藝；

“8-1#石墨料盤”1#石墨料盤上放置著待加工的合金預燒坯棒料；

“9-2#石墨料盤”2#石墨料盤上放置著加工好的產品；

“10-2#觸摸屏”2#觸摸屏在設備的背面，功能與1#觸摸屏一樣，尺寸稍小一些主要為了方便操作人員在設備背面設置機械手參數。

上圖7中體現了該設備的主要負載情況，7個伺服電機（Z1軸、Z2軸、Z3軸、X1軸、Y1軸、X2軸、Y2軸）和1個三相異步電動機（C軸）共同運行，實現了設備的自動化加工。

3 設備工作過程概述

（1）首先1#機械手通過X1軸和Y1軸的插補運動定位在1#石墨料盤的合金預燒坯棒料上方，1#機械手的升降氣缸動作，真空吸盤將棒料吸起，再通過X1軸和Y1軸的插補運動配合升降氣缸和真空吸盤的動作將合金預燒坯棒料放置在工作頭的待加工托盤上；

（2）工作頭檢測到有棒料在待加工托盤上后，Z3軸運動將棒料推到工作頭夾頭中，工作頭檢測到棒料推到位后，夾頭加緊同時工作頭擺動到加工位置，Z1軸和Z2軸聯動運行，完成定位孔的加工工藝；

（3）棒料定位孔加工完成后，工作頭復位并由Z3軸將加工完成的產品推到收料托盤上，再由2#機械手通過X2軸和Y2軸的插補運動定位在收料托盤上方，2#機械手的升降氣缸動作，真空吸盤將棒料吸起，再通過X2軸和Y2軸的插補運動配合升降氣缸和真空吸盤的動作將加工好的產品放在2#石墨料盤上；

按照以上的工序，設備持續、穩定地運行著。整個運行過程都是根據人機界面上的加工配方和加工工藝參數執行的。

3.1 技術要求

（1）硬質合金預燒坯棒材加工范圍。合金一部主要產品的定位孔尺寸如下圖8所示：

棒料直徑范圍：6mm～42mm；

棒料長度范圍：110mm～200mm。

（2）加工效率。加工時間控制在：45秒以內。

（3）加工精度。加工后棒料兩端定位孔同軸精度≤0.02mm；

加工后棒料兩端定位孔深度誤差≤0.10mm。

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