朱金權(quán)
(無(wú)錫貝斯特精機(jī)股份有限公司,江蘇 無(wú)錫 214161)
在機(jī)械零件加工制造業(yè)中,零件的加工質(zhì)量、加工效率和加工成本與零件的加工工藝密切相關(guān)。傳統(tǒng)由人工、單機(jī)手動(dòng)加工零件的工方式已越來(lái)越不適合現(xiàn)代企業(yè)的需要,為減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)成本,采用機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)加工零件的方式,在現(xiàn)代制造業(yè)中已越來(lái)越多的得到應(yīng)用,從而最大限度的滿(mǎn)足加工制造業(yè)中高速度、大批量、高品質(zhì)加工零件的需要,使加工制造業(yè)走向機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)的規(guī)?;?、批量化、高效化、自動(dòng)化的現(xiàn)代制造業(yè)新時(shí)代,它是制造業(yè)加工現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢(shì)。
零件加工工藝性分析,是機(jī)械加工制造業(yè)至關(guān)重要的技術(shù)準(zhǔn)備,它是決定零件加工方法、加工質(zhì)量、加工成本的重要指導(dǎo)性文件,是自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)不可缺少的工藝性文件。
規(guī)劃設(shè)計(jì)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)之前,設(shè)計(jì)人員必須對(duì)加工加工零件的材料、加工內(nèi)容、加工精度、加工質(zhì)量等進(jìn)行詳細(xì)的工藝分析,制定詳細(xì)的零件加工工藝線(xiàn)路,編寫(xiě)零件加工過(guò)程工藝卡片,明確零件加工時(shí)的定位面、夾緊點(diǎn),制定有效的加工切削參數(shù),包括切削速度、進(jìn)給量和切削深度。考慮零件加工時(shí)所采用的夾具、刀具、量具及零件加工后的檢測(cè)方法,工件在各工序之間流轉(zhuǎn)時(shí)需要的清洗、儲(chǔ)存、翻轉(zhuǎn)、搬運(yùn)等中間工位,零件流轉(zhuǎn)過(guò)程中所需的輸送平面、輸送方式,導(dǎo)向定位、信號(hào)檢測(cè)及機(jī)械手抓取工件時(shí)的定位、夾緊、松開(kāi)、檢測(cè)等,這些工藝參數(shù)的確定,對(duì)設(shè)計(jì)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)具有非常重要的作用。
節(jié)拍是指連續(xù)完成相同的兩個(gè)產(chǎn)品(或兩次服務(wù),或兩批產(chǎn)品)之間的間隔時(shí)間。即指完成一個(gè)產(chǎn)品所需的平均時(shí)間。
(1)系統(tǒng)理論節(jié)拍計(jì)算:計(jì)算公式:
R-----節(jié)拍 (單位:秒/件),是系統(tǒng)所需的理論節(jié)拍;
Q-----計(jì)劃期內(nèi)所制造的產(chǎn)品的產(chǎn)量(單位:件),除計(jì)劃中規(guī)定的任務(wù)外,還包括不可避免的廢品;
F%-----不合格產(chǎn)品占有率;
T效-----計(jì)劃期有效工作時(shí)間 (單位:秒);
i------時(shí)間利用系數(shù),計(jì)劃期制度工作時(shí)間內(nèi)設(shè)備的實(shí)際開(kāi)動(dòng)時(shí)間;
T效=計(jì)劃期制度工作時(shí)間T×?xí)r間利用系數(shù)i;
(2)所需設(shè)備計(jì)算:
Tj-----單臺(tái)設(shè)備完成單個(gè)零件所需的實(shí)際工作時(shí)間(單位:秒);
R-----節(jié)拍 (單位:秒/件)。計(jì)算結(jié)果一般為小數(shù),實(shí)際使用設(shè)備臺(tái)數(shù)S需將計(jì)算結(jié)果元整。
(3)桁架式機(jī)器人上下料時(shí)間計(jì)算:
①初始條件:
機(jī)器人勻速運(yùn)行距離S0:(單位:米)
機(jī)器人啟動(dòng)加速運(yùn)行距離S1;(單位:米)
機(jī)器人停止減速運(yùn)行距離S2:(單位:米)
機(jī)器人啟動(dòng)、停止的加速度a:(單位:米/秒2)
機(jī)器人勻速運(yùn)行速度v:(單位:米/秒)
機(jī)器人運(yùn)行的所有距離S=S0+S1+S2
②計(jì)算公式:
機(jī)器人啟動(dòng)加速度時(shí)間
機(jī)器人停止減速度時(shí)間
機(jī)器人勻速度運(yùn)行時(shí)間
③機(jī)械人總運(yùn)動(dòng)時(shí)間T1=t1+t2+t3(單位:秒)
④機(jī)械手換爪時(shí)間T2:機(jī)械手上安裝的兩個(gè)夾持工件的夾爪相互轉(zhuǎn)換90°或180°所需的時(shí)間,其中一個(gè)手爪從機(jī)床夾具上取出已加工完成的工件(成品),另一個(gè)手爪上將已抓取的工件(毛坯)放置到夾具上。兩個(gè)手爪轉(zhuǎn)換的時(shí)間一般?。篢2= 2~3秒。
⑤機(jī)械手取料與裝料時(shí)間T3:機(jī)械手上一只手爪從機(jī)床夾具上取出已加工完成的工件(成品)與將另一手爪上已抓取的工件(毛坯)放置到夾具上所需的時(shí)間。一般根據(jù)所加工零件的大小取T3=5~10秒。
⑥機(jī)器人上下料的總時(shí)間T= T1+ T2+T3
(4)關(guān)節(jié)式機(jī)器人上下料時(shí)間計(jì)算:
在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中所用到的關(guān)節(jié)機(jī)器人一般采用日本FANUC機(jī)器人或德國(guó)KUKA機(jī)器人,這些機(jī)器人樣本中均有相關(guān)軸的動(dòng)作范圍Ji(°)和最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度Si(°/S),根據(jù)這些參數(shù)就可以方便的計(jì)算出機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中所需的時(shí)間Ti(單位:秒)。是關(guān)節(jié)機(jī)器人相應(yīng)軸號(hào))
根據(jù)零件加工工藝流程分析,結(jié)合零件的加工節(jié)拍、上下料時(shí)間、生產(chǎn)線(xiàn)的平面布置區(qū)間、加工設(shè)備、中間工件物流所需的清洗、儲(chǔ)存、翻轉(zhuǎn)、搬運(yùn)等工位及生產(chǎn)線(xiàn)的制造成本等,考慮采用桁架式機(jī)器人還是關(guān)節(jié)式機(jī)器人。選擇桁架式機(jī)器人上下料的條件如下:
(1)加工設(shè)備具有自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)且工作臺(tái)上部具有開(kāi)闊的上料空間;
(2)加工設(shè)備工作臺(tái)沿某一直線(xiàn)布置;
(3)加工設(shè)備工作臺(tái)上部無(wú)固定主軸、換刀系統(tǒng)等,如數(shù)控車(chē)床、數(shù)控磨床、臥式加工中心等;
不具備上述條件的加工設(shè)備如:立式加工中心、數(shù)控立車(chē)等,在工作臺(tái)上方?jīng)]有有效的上料空間,只能采用關(guān)節(jié)式機(jī)器人從加工設(shè)備正面前門(mén)上下料。
自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的布置形式是生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)加工零件的工藝要求合理布置加工設(shè)備的重要步驟,需綜合考慮零件的加工工藝、加工設(shè)備的功能、物流輸送的方式、專(zhuān)用設(shè)備的功能、安全保護(hù)的措施、中間過(guò)程的儲(chǔ)料、機(jī)械手的承載、工件姿態(tài)的轉(zhuǎn)換、定位夾緊的方式、工廠(chǎng)占地面積等,設(shè)計(jì)時(shí)需綜合上述多種因素、通盤(pán)考慮、兼顧全局,不斷改進(jìn)、逐步優(yōu)化,最大限度的發(fā)揮生產(chǎn)線(xiàn)各組成部分的功能,使生產(chǎn)線(xiàn)達(dá)到實(shí)現(xiàn)功能最多、使用設(shè)備最少、制造成本最低、占地面積最少的高性?xún)r(jià)比生產(chǎn)線(xiàn),設(shè)計(jì)出符合加工工藝要求的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的生產(chǎn)線(xiàn)總體方案圖,為企業(yè)提供最佳的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)解決方案。
自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)按使用機(jī)器人的不同分為:關(guān)節(jié)式機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)及桁架式機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)。兩種生產(chǎn)線(xiàn)根據(jù)零件加工的工藝性和加工設(shè)備的特點(diǎn)分別適用于不同場(chǎng)合,但其基本組成大致相同,主要包括如下相關(guān)部分:
(1)上料設(shè)備:是給生產(chǎn)線(xiàn)提供毛坯坯料的自動(dòng)輸送設(shè)備,是生產(chǎn)線(xiàn)的輸入設(shè)備,常采用皮帶輸送、輥道輸送、懸掛鏈輸送、地推鏈輸送、板鏈輸送等,設(shè)備上具有工件定位、輸送導(dǎo)向、工件停止、到位檢測(cè)等機(jī)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)工件的準(zhǔn)確、可靠的傳輸。
(2)機(jī)器人系統(tǒng):是生產(chǎn)線(xiàn)的核心組成部分,是加工零件在各加工設(shè)備間流轉(zhuǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),包括機(jī)器人本體、機(jī)械手、控制系統(tǒng)。具有運(yùn)行速度快、定位精度高、回轉(zhuǎn)自由度多的特點(diǎn)。是集檢測(cè)、定位、夾緊、回轉(zhuǎn)、松開(kāi)、移動(dòng)于一體的智能化設(shè)備。
(3)各工序加工設(shè)備:是實(shí)現(xiàn)零件加工的數(shù)控加中心或數(shù)控專(zhuān)用設(shè)備,是零件加工的主體設(shè)備。由獨(dú)立的數(shù)控系統(tǒng)控制,具備自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén),自動(dòng)換刀、自動(dòng)對(duì)刀、自動(dòng)切削、自動(dòng)排屑,自動(dòng)在線(xiàn)檢測(cè)等功能,能將零件按CNC程序加工至相應(yīng)尺寸和精度要求,是現(xiàn)代制造業(yè)中,不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。
(4)專(zhuān)用設(shè)備:是生產(chǎn)線(xiàn)中用于完成某一特定功能、由設(shè)計(jì)人員專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化專(zhuān)用設(shè)備。是自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)中不可缺少的重要組成部分,如零件流轉(zhuǎn)過(guò)程中的姿態(tài)翻轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)向工作臺(tái)、滿(mǎn)足工藝要求的工裝裝配或拆卸工作臺(tái)、零件加工過(guò)程中的尺寸精度檢測(cè)工作臺(tái)、重要零件氣密性檢測(cè)工作臺(tái)、零件輸送過(guò)程中的儲(chǔ)料工作臺(tái)、零件流轉(zhuǎn)過(guò)程中的清洗清潔工作臺(tái)、零件檢測(cè)完成后合格品及不合格品的自動(dòng)分流工作臺(tái)等。
(5)下料設(shè)備:是生產(chǎn)線(xiàn)中將加工完成的零件自動(dòng)輸送出加工區(qū)域的專(zhuān)用設(shè)備,是生產(chǎn)線(xiàn)的輸出設(shè)備,其結(jié)構(gòu)形式和功能與上料設(shè)備基本相同,以保證工件完好無(wú)損、準(zhǔn)確可靠的輸出。
(6)圍欄及外圍設(shè)備:是生產(chǎn)線(xiàn)中將加工區(qū)域與外圍環(huán)境隔開(kāi)的安全保護(hù)圍欄及安全保護(hù)控制設(shè)備。包括安全圍欄、安全門(mén)、安全光柵、安全門(mén)鎖、踏腳板等輔助設(shè)備。安全光柵、安全門(mén)鎖等安全保護(hù)裝置的信號(hào)與生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)控制部分相串聯(lián)。工作時(shí),只要任何一處安全裝置的信號(hào)發(fā)生變化,機(jī)器人和整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)就會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行,并發(fā)出故障報(bào)警信號(hào),從而確保操作人員和加工設(shè)備的絕對(duì)安全,及時(shí)提醒維護(hù)人員排除設(shè)備故障。
(7)線(xiàn)路布置及走向:是生產(chǎn)線(xiàn)中相關(guān)設(shè)備的動(dòng)力線(xiàn)路、控制線(xiàn)路、氣源管路、液壓油路的布置形式及相關(guān)走向。包括主控電柜位置、操作電柜位置、中間接線(xiàn)盒位置、氣源處理及分配器位置、液壓站位置等。線(xiàn)路布置形式可采用空中橋架布置、地面走線(xiàn)槽布置、地溝走線(xiàn)槽布置。線(xiàn)路布置時(shí)應(yīng)將電纜線(xiàn)、控制線(xiàn)、氣管、油管等分開(kāi)布置,橋架或線(xiàn)槽應(yīng)布置整齊、固定可靠、線(xiàn)路最短,防潮、防油、防干涉、放磕碰。
生產(chǎn)線(xiàn)中物料流動(dòng)方向的確定對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要,合理的物料流向可以充分發(fā)揮設(shè)備自身的功能、充分利用現(xiàn)有場(chǎng)地資源、優(yōu)化物流路徑、減少流轉(zhuǎn)時(shí)間、節(jié)省加工節(jié)拍、提高生產(chǎn)效率。確定物流輸送方向應(yīng)考慮以下幾點(diǎn):
(1)物流輸送方向應(yīng)與零件加工工藝流程一致,使物料流轉(zhuǎn)過(guò)程中盡量減少換手、停頓、姿態(tài)轉(zhuǎn)換等中間環(huán)節(jié),使物料流向更加簡(jiǎn)潔、順暢、快速、高效。
(2)物料流向要考慮生產(chǎn)場(chǎng)地的大小及分布形式,合理利用現(xiàn)有生產(chǎn)場(chǎng)地的物料進(jìn)出,使設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線(xiàn)滿(mǎn)足生產(chǎn)車(chē)間在物流輸送方面的總體需要。
(3)物流輸送方向需要考慮各加工工序間加工時(shí)間的長(zhǎng)短,使物料在各工序間輸送時(shí)能平衡各工序加工時(shí)間的差異,盡量使各工序間物料輸送及加工的時(shí)間趨向平衡,使加工節(jié)拍更加合理。
(4)物流輸送方向應(yīng)使物料流經(jīng)的路程最短,使物料輸送到某一工序的時(shí)間小于工件在該工序的機(jī)械加工時(shí)間,從而使物料輸送所占用的時(shí)間不影響機(jī)械加工的時(shí)間。
(5)物流輸送方向應(yīng)考慮物料輸送過(guò)程中機(jī)械手能方便的在加工設(shè)備上取放工件,使機(jī)械手在取放工件時(shí)能更好的適應(yīng)工件的姿態(tài),避開(kāi)物料輸送時(shí)機(jī)械手過(guò)多的移動(dòng)、避讓障礙物的運(yùn)動(dòng)等。
生產(chǎn)線(xiàn)中驅(qū)動(dòng)和控制線(xiàn)纜、氣路和油路的布置形式是衡量生產(chǎn)線(xiàn)外觀(guān)設(shè)計(jì)美感與否的關(guān)鍵,確定線(xiàn)纜和管路時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn):
(1)電纜和管路布置形式有空中橋架式、地面線(xiàn)槽式和地溝線(xiàn)槽式,應(yīng)根據(jù)設(shè)備的布置形式和加工工藝要求,選擇能使生產(chǎn)線(xiàn)線(xiàn)纜和管路布置達(dá)到美觀(guān)、整齊效果的布置形式。
(2)空中橋架式線(xiàn)纜和管路布置形式,應(yīng)相關(guān)布置高度大于機(jī)器人手爪抓取工件時(shí)運(yùn)行的最大高度,以防止手爪抓取工件運(yùn)行時(shí)與空中橋架發(fā)生干涉。
(3)地面線(xiàn)槽式線(xiàn)纜和管路布置形式,應(yīng)將線(xiàn)槽安裝于加工區(qū)域的腳踏板下,并固定于地面上,以避免在加工區(qū)域內(nèi)與必要的維修操作發(fā)生磕碰。
(4)地溝線(xiàn)槽式線(xiàn)纜和管路布置形式,應(yīng)在地面開(kāi)設(shè)線(xiàn)槽安裝溝槽,將線(xiàn)槽固定于溝槽內(nèi),溝槽深度略低于線(xiàn)槽高度,用線(xiàn)槽蓋板封住,防止地面油污、水汽進(jìn)入線(xiàn)槽。
(5)生產(chǎn)線(xiàn)中設(shè)備的線(xiàn)纜和管路與線(xiàn)槽中的線(xiàn)纜和管路間的聯(lián)接采用快插式插頭或接線(xiàn)端子盒聯(lián)接的方式,便于設(shè)備的拆卸和重新安裝。
(6)線(xiàn)槽走向應(yīng)考慮安裝現(xiàn)場(chǎng)的立柱、墻角、圍欄等便于安裝固定而不影響操作和美觀(guān)的部位,使線(xiàn)路走向更符合實(shí)際使用情況。
(7)所有放于線(xiàn)槽內(nèi)的線(xiàn)纜和管路應(yīng)排放整齊、并在出線(xiàn)槽的兩端用纏繞帶纏繞固定,線(xiàn)纜和管路分開(kāi)放置,便于維修和更換。
操作箱及電氣控制柜是生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)控制單元,是驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)按特定按工藝流程運(yùn)行的核心部件。操作箱是生產(chǎn)操作人員進(jìn)行實(shí)際操作的控制箱,安裝于操作人員右側(cè),便于操作人員手動(dòng)操作。操作箱上設(shè)有“啟動(dòng)”、“停止”、“復(fù)位”及“急停”四種按鈕。
“啟動(dòng)按鈕”用于生產(chǎn)線(xiàn)的啟動(dòng)運(yùn)行。
“停止按鈕”用于生產(chǎn)線(xiàn)的停止運(yùn)行。
“復(fù)位按鈕”用于生產(chǎn)線(xiàn)故障時(shí)復(fù)位至初始狀態(tài)。
“急停按鈕”用于生產(chǎn)線(xiàn)故障時(shí)緊急停止。
主電氣控制柜是安裝電氣控制元件、用于控制生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行的主體電氣箱,常布置于生產(chǎn)線(xiàn)圍欄外側(cè),便于調(diào)試和安裝??刂乒竦脑O(shè)置應(yīng)考慮以下幾點(diǎn):
(1)使安裝線(xiàn)纜的線(xiàn)槽走向布置方便、合理。
(2)靠近加工設(shè)備電氣箱,減少走線(xiàn)槽的長(zhǎng)度。
(3)避免大功率設(shè)備運(yùn)行時(shí)所造成的信號(hào)干擾源,確??刂菩盘?hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠。
(4)避環(huán)境陰暗、潮濕、散熱不暢的場(chǎng)所,以確保電氣柜正常工作所需要的環(huán)境。
(5)確保電氣柜正常維護(hù)、維修時(shí)有必要的操作空間,使維護(hù)、維修更加方便。
通過(guò)分析機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)加工零件的相關(guān)工藝參數(shù)和生產(chǎn)線(xiàn)布置的相關(guān)技術(shù)要點(diǎn),對(duì)機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)的步驟和思路提出以下幾點(diǎn)要求:
(1)充分分析加工零件的工藝性,明確加工所需的相關(guān)工藝參數(shù);
(2)根據(jù)參數(shù)選取適合零件加工所需的各種工藝裝備,包括機(jī)床、夾具、刀具、檢測(cè)設(shè)備等;
(3)根據(jù)生產(chǎn)場(chǎng)地和零件的加工設(shè)備,選擇便于工件抓取和裝夾的機(jī)器人,設(shè)計(jì)相應(yīng)合適的機(jī)械手;
(4)考慮生產(chǎn)線(xiàn)總體布置時(shí)的相關(guān)事項(xiàng),通過(guò)分析明確各項(xiàng)技術(shù)要點(diǎn),使總體設(shè)計(jì)更加清新和完整;
(5)繪制生產(chǎn)線(xiàn)總體布置方案圖,在圖上標(biāo)注出物流的方向,各部分設(shè)備的相關(guān)功能等;
(6)根據(jù)加工過(guò)程中零件流轉(zhuǎn)的先后順序和時(shí)間長(zhǎng)短,繪制零件加工自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的循環(huán)周期表;
(7)對(duì)出現(xiàn)的幾種總體布置方案進(jìn)行工藝性和經(jīng)濟(jì)性分析,選擇占地面積最少、工藝性能最好、制造成本最低的總體布置方案;
(8)對(duì)方案圖做進(jìn)一步細(xì)化和完善,使設(shè)計(jì)文件更加符合工廠(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)的要求。
隨著我國(guó)國(guó)內(nèi)企業(yè)用人成本的不斷增加,機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)在加工制造業(yè)中的優(yōu)勢(shì)日益顯現(xiàn)出來(lái),被越來(lái)越多的企業(yè)所接受并采用,生產(chǎn)線(xiàn)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)必將在我國(guó)制造領(lǐng)域逐步替代傳統(tǒng)加工模式,開(kāi)拓現(xiàn)代加工制造業(yè)的創(chuàng)新模式。研究自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的工藝流程和特性、總體設(shè)計(jì)時(shí)的相關(guān)因素和要點(diǎn),對(duì)自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)總體布局的確定、優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)器人形式的選擇、工作節(jié)拍的計(jì)算、最大限度發(fā)揮自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的優(yōu)勢(shì),具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。
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