鑄件冒口切割生產線的設計

石恩斌 郭瑞興

(天津賽瑞機器設備有限公司 天津 300301)

1 前言

某企業為汽車行業的配套企業，其主要生產任務是為汽車部分鑄造零件的冒口進行切割。產品有10種零件，但每種零件批量大，屬于大批量少品種的加工企業。該企業采用便攜式砂輪切割機，對鑄件冒口進手動切割，車間共有50臺切割機，生產采用四班三運轉作業制。每天平均切割1萬2千件。

企業采用手工作業方式，存在生產效率低，人工成本高，產品質量不穩定，安全生產狀況差，不便于管理等問題。為解決這一問題企業提出改用自動化生產線作業方式，采用PLC自動控制。砂輪切割加工自動化生產具有高效、安全、高質量、低成本的特點[1] [2]。

2 關鍵技術問題及解決方案[3]

針對不同零件實現整個生產過程的自動化，保證生產正常、高效、有序進行。在設計過程中要解決的問題包括(1)針對不同零件設計出對應的抓取、夾緊、推擋料等工裝；(2)針對不同零件編制對應的控制程序；(3)保證砂輪磨損到不同直徑時，砂輪線速度均在合理的范圍，能夠自動切換。(4)采用PID控制器自動控制切割進給速度[4]。

2.1 不同工件切割生產

由于工件不同，工件的大小、形狀各異，工件上冒口大小、位置、數量各不相同。要分別針對不同工件進行抓取裝置、夾緊裝置工裝的進行設計。分別對各工件進行控制系統編程。當加工件更換時，要更換對應件的工裝，切換對應件的程序便可。

2.2 砂輪線速度的自動切換

在切割加工時,砂輪的線速度大小對切割效率、切割表面的粗糙度等影響很大。 因此, 較為理想的切割機應滿足: 在砂輪允許的線速度范圍內, 能使砂輪始終處于較高線速度狀態運轉[2]。

砂輪切割機線速度處于切割時較佳范圍是50～70m/ s，為了保證切割效果，在設計中砂輪驅動電機選用變頻電機，方便設置砂輪使用過程中直徑變化時砂輪線速度調整。設計時，選取砂輪直輪為600mm，并設定砂輪最小使用直徑為300mm。

將砂輪回退位設定為速度切換位，如圖1所示，切割砂輪片由砂輪驅動電機1通過V型帶輪、V型帶等傳動裝置2帶動砂輪片3旋轉。在該位置，在砂輪的半徑方向上設有6組光電對射傳感器，對應砂輪直徑分別550mm、500mm、450mm、400mm、350mm、300mm，這樣，將砂輪直徑分為600～550mm、550～500mm……350～300mm六段。現將砂輪直徑600mm、550mm、500mm、450mm、400mm、350mm時，靠傳咸器控制，設定砂輪驅動電機速度，使砂輪線速度為70m/ s。當砂輪直徑為300mm時，對應傳感器EX-11B發訊并報警，提醒操作人員更換砂輪片。

上述各直徑段的砂輪最小線速度為：

(1)

式中：

Vmin——上述各段的最小線速度，單位m/s;

D—各段的最大直徑，單位mm

由式(1)可看出當砂輪直徑接近300mm時，線速度最小，此時D為350mm。此時砂輪線速度為：

設備運行時砂輪切割線速度在60～70m/s范圍內變動。

2.3 進給速度的制定

砂輪切割機工作過程中，砂輪與工件的接觸面積一定時，進給速度增大，砂輪切割力相應增大，相反，砂輪切割力變小。

由于切割工件冒口大小、形狀各不相同，無法建立精確的數學模型。為保證最佳的切割效率和切割狀態，設計中采用了PID控制器對砂輪切割的進給速度進行自動控制。

圖1 砂輪切割機線速度控制方案示意圖1-電機；2-傳動裝置；3-砂輪切割片；4-對射感應傳感器；5-傳感器支架；6-本體機架

首先設定砂輪允許最大切割力，自動砂輪 切 割 機 進 給 速 度 控 制 系 統 由 PLC、 伺服電機、 伺服驅動器、 滾珠絲杠副、 力傳感器、PID控制器等構成。切割機切割運行時， 將 測 量 到 的 切 割 力 通 過 A /D 轉 換 模 塊 輸 入 到PLC， 再經 PLC 進行 PID 運算， 輸出控制量， 再轉化為輸出脈沖頻率值， 控制伺服電機的轉速， 從而控制進給速度。

砂輪切割機切割加工實際生產中不僅要考慮工作效率，同時要考慮砂輪片的使用壽命，切割后件切口的表面質量。因此在設定允許最大切割力時要不斷工作實踐進行優化，使之更趨于合理。

3 設計基本要求

企業計劃擬建三條生產線，每條生產線日均加工工件4000件，總計日產量1萬2千件；

工件最大尺寸為500mm×400mm×350mm(長×寬×高)；

工件最大重量18kg；

工件共10種規格，冒口數量3-8個不等；冒口最大斷面尺寸為80 mm×30 mm，最小22 mm×15 mm。

工件上料采用人工輔助上料，從工件輸入至加工后的工件輸出，整個過程均實現自動化，生產線采用PLC自動控制。

4 工藝流程

4.1 生產線組織設計

生產工作節奏：

R=T/Q

(2)

式中：

Q—計劃每條生產線每日加工產品數量，件；

T—每日有效工作時間，s；

R—生產線工作節奏，s/件；

本設計生產線計劃每日生產時間為22小時，每日有效工作時間、工作節奏分別是：

T=22×60×60=79200s

R=79200÷4000=19.8 s/件

生產線上料采用人工上料。在入口段輸送裝置的輸送帶上布料，輸送帶上每一橫格布一件待加工件。入口端輸送帶布滿可放料20件。布滿一次可運行時間為：

T1=19.8×20=396s

工件從入口端輸入到成品件輸出，以及成品收集整個過程均實現自動化作業。

4.2 工藝流程

生產工藝流程如下：

5 設備組成及功能

生產線由主機、輔機、PLC控制系統組成：圖2是鑄件冒口切割砂輪生產線示意圖。

圖2 鑄件冒口切割砂輪生產線示意圖1-入口段輸送裝置；2-工件移入裝置；3-工件夾緊裝置；4-切割機本體；5-升降機構；6-進給機構；7-橫移機構；8-主機機架；9-廢料收集裝置；10-工件移出裝置；11-出口段輸送裝置；12-成品收集料框

5.1 主機

如圖2所示，主機主要由切割機本體4、升降機構5、進給機構6、橫移機構7、機架8等組成。

本體由電機、V型帶傳動機構、砂輪裝置、機座等組成，是生產線的核心部件。電機采用變頻電機，通過改變電機轉速調整砂輪片的線速度，使其在最佳范圍內。

升降機構主要由伺服電機、滾珠絲桿、直線導軌、機座等組成。其功能是用伺服電機通過滾珠絲桿驅動切割機本體在垂直方向運行。

進給機構主要由伺服電機、滾珠絲桿、直線導軌、機座等組成。其功能是用伺服電機通過滾珠絲桿驅動升降機構、切割機本體在左、右方向運行，使本體實現快進、工進、快退工藝動作。

橫移機構主要由伺服電機、滾珠絲桿、直線導軌、等組成。其功能是用伺服電機通過滾珠絲桿驅動進給機構、升降機構、切割機本體在前后方向運行。

升降機構、橫移機構聯合動作帶動切割機本體快速、準確到達工藝設定的位置。

5.2 輔機

輔機由入口段輸送裝置1、工件移入裝置2、工件夾緊裝置3、工件移出裝置10、出口段輸送裝置11、成品收集料框12、廢料收集裝置9等組成。

入口段輸送裝置由皮帶輸送機、推料裝置組成。皮帶輸送機將待加工工件逐件、依次移至擋板位，然后由推料裝置使工件定位。

工件移入裝置主要由四軸機器人、抓取裝置組成。其功能是將上述定位好的工件移至工件夾緊位置。

工件夾緊裝置由夾緊裝置與回轉裝置、力傳感器、廢料收集料槽等組成。其功能是將移入工件夾緊，回轉至冒口切割位，工件加工完成后，工件回轉至工件移出位，夾緊裝置松開。切割過程中產生切屑、廢料頭落入廢料收集料槽，然后進入廢料框內，力傳感器用來測定切割過程中砂輪切割力。

工件移出裝置主要由四軸機器人、抓取裝置組成。其功能是將加工完的工件由工件夾緊裝置位移至工件出口段輸送裝置的輸送帶上。

出口段輸送裝置由主要皮帶輸送機與過渡料架組成。它將加工完的工件送入成品收集料框。

5.3 控制系統

電氣控制系統由電源柜、傳動柜、PLC控制柜、主操作臺、工控機、PID控制器、感應元件等組成。對各個工位設備位置、動作進行精確控制。

本設計在生產線的各個工作區及控制位置均設置有傳感器，采用PLC自動化控制。使各個工序動作，安全、可靠地完成。

6 結束語

企業鑄件冒口切割生產應用了自動化生產線，提高了產品質量，節約了人工成本和管理成本，方便了管理，保障了安全生產。實現了企業提高質量、降低成本、安全生產的目標。

工業自動化設備在機械加工行業中具有廣泛的發展空間，對企業的提質降耗、轉型升級具有積極的意義。對一些單件大批量工件的機械加工生產很多企業已成功采用。對于多件中、小批量工件機械加工生產企業應用的不是太多。這也是設計人員今后努力的方向。