普通數(shù)控車床自動(dòng)拉料裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

王士良 毛慧英 李 松 李 想

(內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司,內(nèi)蒙古 包頭 014030)

1 研究背景

目前,工廠數(shù)控車床普遍分布于各個(gè)機(jī)加單元,這些數(shù)控車床一般不帶自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)或自動(dòng)拉料裝置。通過調(diào)研工廠普通數(shù)控車床卡盤裝夾狀況,普通數(shù)控車床的卡盤包括氣動(dòng)卡盤、液壓卡盤以及手動(dòng)卡盤,即半自動(dòng)和手動(dòng)兩種卡盤。在加工中小型零件時(shí),操作者手動(dòng)將坯料通過卡盤裝入主軸孔中,坯料(棒料、管料)手動(dòng)拉出到一定長(zhǎng)度即到能夠加工零件的位置后,點(diǎn)動(dòng)操作按鈕,液壓(氣動(dòng))三爪卡盤夾緊坯料或手動(dòng)夾緊坯料,之后按照數(shù)控程序進(jìn)行零件的加工,加工完畢后,點(diǎn)動(dòng)操作按鈕或手動(dòng)操作三爪卡盤松開;二次加工時(shí),再一次將坯料(棒料、管料)從主軸孔中拉出到一定長(zhǎng)度能夠加工零件的位置后,三爪卡盤再次夾緊坯料,然后進(jìn)行下一個(gè)零件的數(shù)控加工,如此往復(fù),操作者勞動(dòng)強(qiáng)度大,零件加工效率低,自動(dòng)化程度低,無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化送料以及工件的連續(xù)加工。

針對(duì)上述普通數(shù)控車床加工零件時(shí)無法自動(dòng)拉料的問題,研制了自動(dòng)拉料裝置,配置氣動(dòng)系統(tǒng),通過編制加工輔助控制程序,使氣動(dòng)系統(tǒng)、拉料裝置以及數(shù)控程序相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了普通數(shù)控車床在加工零件時(shí)能夠自動(dòng)拉料和零件的連續(xù)加工,提高了設(shè)備的自動(dòng)化程度,降低了操作者勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 普通數(shù)控車床自動(dòng)拉料裝置技術(shù)解決方案確定

通過拉料裝置、數(shù)控程序以及氣動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng),在不占用刀位的情況下,操作者只需操作設(shè)置的指令,即可實(shí)現(xiàn)安全操作,連續(xù)加工零件。即在普通數(shù)控車床的小拖板上安裝自動(dòng)拉料裝置,設(shè)計(jì)拉料夾緊數(shù)控程序和氣動(dòng)系統(tǒng),改進(jìn)數(shù)控車床控制柜中的執(zhí)行元件,在數(shù)控程序的控制下實(shí)現(xiàn)坯料(棒料、管料)從三爪卡盤中自動(dòng)拉出到指定的長(zhǎng)度,然后再自動(dòng)夾緊坯料(棒料、管料),之后普通數(shù)控車床進(jìn)行零件的連續(xù)加工。

3 普通數(shù)控車床自動(dòng)拉料裝置設(shè)計(jì)

3.1 拉料裝置設(shè)計(jì)

U型水平板、立板、筋板連接成一整體,平行爪氣動(dòng)缸通過螺栓、彈性墊圈固定在立板上,壓頭、V形支撐板采用螺栓分別固定在平行爪氣動(dòng)缸上的兩端平行爪上,U型水平板與拖板配合,再通過頂絲固定在數(shù)控車床的拖板上,如圖1所示。

圖1 拉料裝置示意圖1.U型水平板;2.車床小拖板;3.筋板;4.立板;5.頂絲;6.螺栓;7.彈性墊圈; 8.V形支撐板;9.平行爪氣動(dòng)缸;10.傳感器;11.壓頭

U形水平板與數(shù)控車床的小拖板配合,通過頂絲固定在普通數(shù)控車床的小拖板上控制拉料裝置沿導(dǎo)軌橫向和縱向運(yùn)動(dòng)。立板兩側(cè)沿長(zhǎng)度方向中心對(duì)稱開設(shè)有凹形槽,平行爪氣動(dòng)缸通過凹形槽、螺栓、彈性墊圈固安裝在立板上,保證平行爪氣動(dòng)缸垂直固定。傳感器安裝在平行爪氣動(dòng)缸的外部凹槽內(nèi),平行爪氣動(dòng)缸上平行爪通過螺栓固定安裝有倒梯形壓頭,下平行爪上固定安裝與壓頭角度相配合的V形的支撐板,壓頭中心線與V形支撐板中心線重合,壓頭底面和V形支撐板的內(nèi)表面形成陰陽(yáng)夾口,便于夾持坯料時(shí)增大表面摩擦。上下平行爪在氣缸的帶動(dòng)下,沿立板凹槽上下運(yùn)動(dòng),控制陰陽(yáng)夾口開合動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)對(duì)坯料的夾持操作。

為了保證拉料裝置在拉料過程中始終與車床主軸中心一致,采用平行爪氣動(dòng)缸或三爪氣動(dòng)缸,并在氣缸上安裝固定墊板,使它們運(yùn)動(dòng)同步,避免出現(xiàn)偏心現(xiàn)象,同時(shí)U形水平板與立板垂直度偏差不大于0.1mm。

為了保證氣動(dòng)缸的壓力與工廠的壓縮空氣壓力相匹配,采用傳感器對(duì)氣動(dòng)缸的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè),保證拉料裝置夾緊毛坯料。

考慮到拉料裝置安裝和拆卸方便,U形水平板根據(jù)車床上的小拖板寬度設(shè)計(jì),適用不同型號(hào)的數(shù)控車床, U形水平板采用5mm～8mm厚度鋼板彎曲成型或焊接而成,兩側(cè)與小拖板采用頂絲連接固定。

3.2 數(shù)控程序設(shè)計(jì)

數(shù)控程序是拉料裝置的執(zhí)行部分,為了使拉料裝置動(dòng)作連續(xù),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拉料功能,必須將設(shè)備上的電氣系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。

編制加工輔助控制程序即NC程序以及功能底層PMC程序,通過I/O連接,增設(shè)到標(biāo)準(zhǔn)接口模塊中,同時(shí)將NC程序隱藏在系統(tǒng)內(nèi)部,避免操作者訪問和修改。繼電器、二位五通電磁閥、節(jié)流閥、壓縮空氣、電源之間通過數(shù)控程序控制,操作者只需操作設(shè)置的指令,即可實(shí)現(xiàn)安全操作,連續(xù)加工零件。

零件加工時(shí)自動(dòng)拉料裝置執(zhí)行程序編譯為程序代碼O9000嵌套在零件加工的主程序中,O9000程序如下:

程序代碼 程序代碼含義

O9000 程序名稱

M12; 拉料裝置上的卡爪張開

M3S200; 主軸正轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分鐘

T0108; 拉料轉(zhuǎn)裝置卡爪對(duì)主軸中心一致

G0 X0 Z15; 拉料裝置停止在坐標(biāo)點(diǎn)上

G1 Z0 F1; 拉料裝置慢速走到指定點(diǎn),準(zhǔn)備抓料

M5; 主軸停止

G4 X1; 暫停1秒

M13; 拉料裝置卡爪抓料并夾緊

G4 X1; 暫停1秒

M10; 液壓三爪卡盤松開

G4 X1; 暫停1秒

G0 Z[#1]; 拉料裝置拉料到指定長(zhǎng)度

G4 X1; 暫停1秒

M11; 液壓三爪卡盤夾緊

G4 X1; 暫停1秒

M12; 拉料裝置卡爪松開

G0 Z260; 拉料裝置快速離開到安全位置

M99 該子程序結(jié)束,進(jìn)入主程序

在零件加工時(shí),操作者需要調(diào)整自動(dòng)拉料裝置中心與數(shù)控車床主軸一致,并將此位置作為自動(dòng)拉料裝置的坐標(biāo)原點(diǎn),在不拆卸該裝置的情況下,原點(diǎn)位置不變。在零件加工時(shí)操作者需輸入的程序代碼如表1所示。

表1 零件加工時(shí)操作者需輸入的程序代碼

3.3 數(shù)控車床控制柜的設(shè)計(jì)

在數(shù)控車床控制柜內(nèi)裝上繼電器、二位五通電磁閥、節(jié)流閥,二位五通電磁閥進(jìn)氣口通過調(diào)壓閥與壓縮空氣連接,二位五通電磁閥兩個(gè)出氣口分別安裝一個(gè)單向節(jié)流閥與汽缸的兩個(gè)進(jìn)氣口通過管路元器件連接,達(dá)到輸入動(dòng)力實(shí)現(xiàn)壓頭和V形的支撐板的開合的目的。二位五通電磁閥上的線圈與繼電器連接,繼電器與數(shù)控車床控制柜中的標(biāo)準(zhǔn)接口模塊通過內(nèi)50針的總線電線連接,實(shí)現(xiàn)壓頭和V形的支撐板按程序開合,如圖2所示。

將壓力為0.6MPa的壓縮空氣接入氣動(dòng)三聯(lián)件中,三聯(lián)件由空氣過濾器、減壓閥、油霧器組合而成。空氣過濾器可除去壓縮空氣中的塵土、污垢、銹及凝結(jié)的液體物質(zhì);減壓閥可將出口壓力調(diào)至所設(shè)定的壓力,并使工作壓力趨于平穩(wěn),當(dāng)工作壓力高于調(diào)定壓力時(shí),溢流排氣可使系統(tǒng)壓力重新趨于穩(wěn)定;油霧器將潤(rùn)滑油霧化后潤(rùn)滑油進(jìn)入系統(tǒng),使氣動(dòng)控制元件和氣動(dòng)執(zhí)行元件得以潤(rùn)滑,如圖2所示。

圖2 拉料裝置實(shí)物圖

3.4 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.5 自動(dòng)拉料裝置動(dòng)作原理

通過對(duì)設(shè)備電氣柜中電器與數(shù)控程序進(jìn)行匹配,并與拉料裝置聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)設(shè)備在零件加工時(shí)卡盤松開、平穩(wěn)自動(dòng)送料、卡盤夾緊、零件加工的連續(xù)動(dòng)作。

自動(dòng)拉料裝置動(dòng)作原理是調(diào)整拉料裝置上平行爪氣動(dòng)缸的位置,使壓頭、V形支撐板與設(shè)備主軸中心重合,之后用螺栓、彈性墊圈固定,此位置為拉料裝置坐標(biāo)的初始位置,并將其初始位置輸入程序中。操作者在數(shù)控車床的操作界面上采用宏變量設(shè)置每根坯料(棒料、管料)的加工零件的件數(shù)、每個(gè)零件的拉出的長(zhǎng)度,按下執(zhí)行按鈕,接通電源,繼電器與二位五通電磁閥的線圈連接,壓縮空氣經(jīng)過調(diào)壓閥、管路進(jìn)入二位五通電磁閥的B口,此時(shí)A口關(guān)閉,按程序壓頭和V形支撐板開啟,拉料裝置隨拖板沿導(dǎo)軌移動(dòng)達(dá)到夾料位置,到位后壓縮空氣經(jīng)過調(diào)壓閥、管路又進(jìn)入二位五通電磁閥的A口,B口關(guān)閉,壓頭、V形支撐板夾緊毛坯料;夾緊后傳感器與平行爪氣動(dòng)缸通過電磁感應(yīng),校核壓頭、V形支撐板夾緊狀態(tài),接收到已夾緊毛坯料信號(hào)傳遞后,主軸上的三爪卡盤開啟,壓頭、V形支撐板將毛坯料拉出到定位尺寸,到位后主軸上的三爪卡盤閉合再夾緊毛坯料,夾緊后壓縮空氣經(jīng)過調(diào)壓閥、管路進(jìn)入二位五通電磁閥的B口, A口關(guān)閉,壓頭、V形支撐板開啟,傳感器與平行爪氣動(dòng)缸通過電磁感應(yīng),校核壓頭、V形支撐板開啟狀態(tài),收到已開啟的信號(hào)傳遞后,自動(dòng)拉料裝置隨拖板退回到安全位置。自動(dòng)拉料裝置動(dòng)作原理如圖3所示。

4 實(shí)際應(yīng)用情況

自動(dòng)拉料裝置安裝使用時(shí)(自動(dòng)拉料裝置實(shí)際安裝與使用狀態(tài)見圖4),操作者首先需要進(jìn)行拉料裝置與設(shè)備主軸中心找正,并將自動(dòng)拉料裝置的初始位置輸入到輔助程序中,作為自動(dòng)拉料裝置的坐標(biāo)原點(diǎn),同時(shí)操作者在每一種零件加工前,需要計(jì)算一根毛坯料加工完成該零件所用時(shí)間,每個(gè)零件的拉料長(zhǎng)度,并輸入到輔助程序中,其余程序已經(jīng)編譯在輔助程序中。

圖3 自動(dòng)拉料裝置動(dòng)作原理圖

圖4 自動(dòng)拉料裝置實(shí)際安裝與使用狀態(tài)

以零件1-1轉(zhuǎn)子軸軸襯(如圖5所示)為例,說明自動(dòng)拉料裝置實(shí)際應(yīng)用情況。該件原材料為直徑φ15mm的銅棒,毛坯下料定額長(zhǎng)度為990mm/44件。考慮到零件加工時(shí)切刀寬度為3mm,車齊端面0.3mm,拉料長(zhǎng)度為22.3mm, 操作者在輔助程序中調(diào)出程序G0 Z[#1],修改#1= 22.3,并將加工零件的循環(huán)次數(shù)改為M98 P0509 L44,零件即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拉料和零件的連續(xù)加工。

圖5 1-1零件示意圖

改進(jìn)前操作者加工一根長(zhǎng)度為990mm毛坯下料時(shí),需要手動(dòng)裝夾毛坯、拉料到設(shè)定長(zhǎng)度44次,動(dòng)作慢,時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)時(shí)。改進(jìn)后,自動(dòng)操作動(dòng)作快、省時(shí)。經(jīng)過實(shí)際反復(fù)運(yùn)行和測(cè)算,兩種方式(手動(dòng)和自動(dòng))零件裝夾時(shí)間對(duì)比見表2。

表2 零件裝夾時(shí)間對(duì)比

每根料節(jié)約裝夾時(shí)間:(1分鐘/件-0.2分鐘/件)×44件=35.2分鐘。

提高裝夾效率:(1分鐘/件-0.2分鐘/件)÷1分鐘/件×100%=80%

5 結(jié)語

通過對(duì)普通數(shù)控車床電氣柜中電器以及數(shù)控程序設(shè)計(jì)改進(jìn),安裝了自動(dòng)拉料裝置后,普通數(shù)控車床由手工拉料裝夾改進(jìn)為自動(dòng)拉料和裝夾,零件的裝夾效率提高了80%,不僅提高了數(shù)控車床的自動(dòng)化程度,而且也提高了加工效率,極大地減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。

通過自動(dòng)拉料裝置在單位應(yīng)用了近5年的使用狀態(tài)看,自動(dòng)拉料裝置拆卸、安裝便捷,操作安全可靠,程序長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定,未出現(xiàn)自動(dòng)拉料裝置損壞問題。

自動(dòng)拉料裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制作方便,通過測(cè)算每套裝置包括拉料裝置、數(shù)控程序、氣動(dòng)系統(tǒng)改造約1.2萬元,成本費(fèi)用低,能夠廣泛推廣于中小件加工的普通數(shù)控車床上。