自動化加工單元在首飾行業中的應用

沈陽機床股份有限公司 沈陽 110142

1 應用背景

目前，首飾加工行業多以手工加工為主,產品一致性差。隨著人工成本的增加,首飾行業也在尋求自動化的普及之路。首飾行業自動加工單元必須具有高度柔性,以適應小批量、多品種、換產頻繁的特點。

現有首飾以戒指、手鐲、吊墜、項鏈等為主,筆者以條戒為例,介紹自動化加工單元在首飾行業中的應用。條戒為戒指的一類,多鑲嵌寶石。條戒加工工序以銑削為主,其外形如圖1所示。

▲圖1 條戒外形

2 產品信息

條戒直徑尺寸，即戒指圈口不一樣[1],且貴金屬材料質地較軟,造成機械手抓手不能直接抓取[2-3],因此需要將條戒固定于隨行夾具上，如圖2所示。每件隨行夾具具有獨立對應的二維碼。

▲圖2 隨行夾具

3 加工方案

3.1 節拍及產能計算

根據條戒工序計算加工時間,以及機械手上下料、零件和夾具上金屑清理的時間,估算加工節拍。

根據用戶車間環境、設備運行狀態、人員專業素養、毛坯狀態、刀具磨損等各種生產要素的實際情況,估算產能[4]。工作時間計算方法為:全天的實際工作時間=全天工作時間×設備開動率85%×其它因素效率90%，實際工作時間即為全天工作時間的76.5%。

3.2 自動化加工單元布局

根據節拍及產能要求,布置機床數量。根據廠房空間尺寸,在保證設備安裝與運行空間的前提下,選擇自動化加工單元布局形式[5]。

4 自動化加工單元結構

自動化加工單元由三臺VMC0322u立式五軸雕銑中心和一臺帶第七軸(地軌)的關節機器人組成。在自動化加工單元中,配置一套多功能輸送料道、一套立體式料庫、一套工件角向定位模塊、一套包含總控操作站及分屏顯示器的總控系統、一套外圍防護,用于完成條戒的自動化加工。

自動化加工單元結構如圖3所示。

▲圖3 自動化加工單元結構

5 工作流程

自動化加工單元的工作流程如下：人工將條戒裝至對應隨行夾具上,每個隨行夾具上有單獨的二維碼,通過讀碼器將信息錄入總控系統；毛坯和加工程序對應后,通過關節機器人實現工件的自動上下料，完成產品加工。

自動化加工單元工作流程如圖4所示。

6 主要模塊

6.1 關節機器人

選用ABB 工業機器人,控制軸數為六軸,最大水平工作半徑為900 mm,最大夾持質量為5 kg。關節機器人如圖5所示,適合應用于小型零件的自動上下料。根據車間空間尺寸,采用地軌式布局[6],關節機器人安裝在地軌上行走,如圖6所示。

▲圖4 自動化加工單元工作流程▲圖5 關節機器人▲圖6 關節機器人在地軌上行走

6.2 多功能輸送料道

將隨行夾具鎖緊/松開工位、工件信息寫入工位及托盤多功能輸送料道集成在一起,操作人員手持氣動螺絲刀進行隨行夾具的鎖緊/松開工作及工件的信息寫入工作。托盤滿料后,按控制按鈕,托盤即會進行輸送動作,操作人員無需搬運托盤,自動化程度較高。多功能輸送料道如圖7所示。

6.2.1 隨行夾具鎖緊/松開工位

將設定好的力矩值輸入至氣動螺絲刀內,隨后即可流水式鎖緊或松開隨行夾具。因為松開隨行夾具的力矩要大于鎖緊隨行夾具的力矩,所以為便于操作,設置鎖緊、松開兩套氣動螺絲刀。氣動螺絲刀配有可伸縮式螺旋管,便于操作者操作。

▲圖7 多功能輸送料道

6.2.2 工件信息寫入工位

多功能輸送料道上配有工件信息寫入工位,隨行夾具柄端有二維碼區域,每個隨行夾具具有唯一的二維碼。通過人工將鎖緊的隨行夾具放置在讀碼器的工作區域內,進行工件信息寫入。寫入成功后,待顯示器顯示,再將隨行夾具放在托盤中。

6.2.3 多功能輸送料道與立體式料庫連接

托盤滿料后,操作者按下送料按鈕,托盤輸送至立體式料庫插取機插取工位,由插取機插取至立體式料庫中。

6.3 立體式料庫

立體式料庫如圖8所示。立體式料庫在多功能輸送料道一側設置插取機,另一側由關節機器人拉取托盤,并配升降機將工件托盤停放在指定位置,再進行工件抓取動作。

▲圖8 立體式料庫

6.4 抓手模塊及主機上料姿態

如圖9所示，抓手模塊由雙氣爪組成,氣爪為三爪結構。抓手模塊可同步完成工件的上料和下料,保證上下料效率最高[7-9]，最大夾持工件質量為1 kg，要求氣源壓力為0.5 MPa以上。主機上料采用氣動夾具,完成自動松夾。上料氣動夾具如圖10所示。

6.5 角向定位模塊

不規則的條戒在機加工前需要進行角向定位,定位之前由讀碼器讀取工件信息。總控系統讀取工件信息后,調出對應工件的標準照片。利用視覺拍照功能拍照,之后與標準照片對比,計算出角度值。由轉臺轉至正確的角度,并由關節機器人抓取放至主機內進行加工[10]。角向定位模塊如圖11所示。

▲圖9 抓手模塊▲圖10 上料氣動夾具▲圖11 角向定位模塊

6.6 工件信息讀取工位

關節機器人抓取工件放至機床內部之前,需先將工件移至機床外部安裝好的讀碼器前，進行工件信息的讀取。

工件信息讀取成功后,總控系統向關節機器人下達繼續運動的指令,機床調用對應工件的加工程序,對工件進行加工。

6.7 總控系統

總控系統由總控操作站及分屏顯示器兩個部分組成。總控操作站負責整條工作線的控制工作，分屏顯示器顯示整條工作線設備的狀態信息,包括機床和關節機器人的運行狀態,以及工件的加工數量和所在位置等。

7 結束語

筆者所介紹的自動化加工單元滿足首飾行業對自動化加工的需求,可以解決珠寶首飾的小批量、多品種加工問題，實現高效加工。