□ 林建兵

眉山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川眉山 620010

1 設(shè)計(jì)背景

“中國(guó)制造2025”提出智能制造是五大核心工程之一,裝備制造企業(yè)要緊密?chē)@制造領(lǐng)域關(guān)鍵環(huán)節(jié),充分集成信息技術(shù),開(kāi)發(fā)智能產(chǎn)品和自主可控的智能裝置,緊扣關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機(jī)器換人、生產(chǎn)過(guò)程智能優(yōu)化控制,建設(shè)智能工廠與數(shù)字化車(chē)間,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí),技術(shù)進(jìn)步。在實(shí)施智能制造的過(guò)程中,規(guī)模企業(yè)步伐更快,成效顯著,但多數(shù)中小微企業(yè)自動(dòng)化升級(jí)進(jìn)程較慢,如何尋找有效途徑,利用現(xiàn)有基礎(chǔ)與條件,逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化制造,是此類(lèi)企業(yè)面臨的一大難題。

實(shí)現(xiàn)智能化的重要基礎(chǔ)是生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化,一般大型企業(yè)通過(guò)整體購(gòu)買(mǎi)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)達(dá)到這一目的,而中小微企業(yè)往往產(chǎn)品類(lèi)型單一,且附加值及利潤(rùn)較低,要實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí),存在較多困難[1]。一方面是技術(shù)投入資金有限。中小微企業(yè)一般自有資金有限且融資困難,多數(shù)資金均擱置在生產(chǎn)流通環(huán)節(jié),儲(chǔ)備資金少,無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足規(guī)?；詣?dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的投入和正常的生產(chǎn)流通。另一方面是智能化需求不高。一般中小微企業(yè)大多處于數(shù)控設(shè)備完全更新迭代時(shí)期[2],單體數(shù)控加工設(shè)備較多且生產(chǎn)任務(wù)重,主要是為上游產(chǎn)品企業(yè)提供配套服務(wù),現(xiàn)階段智能化需求不高,且淘汰后再利用難度較大。針對(duì)數(shù)控加工技術(shù)具有一定自動(dòng)化條件的企業(yè),通過(guò)融合工業(yè)機(jī)器人技術(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化上下料系統(tǒng)進(jìn)行改造,來(lái)實(shí)現(xiàn)企業(yè)的自動(dòng)化升級(jí),由此設(shè)計(jì)了自動(dòng)化上下料系統(tǒng)[3-4]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況

某企業(yè)的一款主要產(chǎn)品是八位連接孔標(biāo)準(zhǔn)法蘭,產(chǎn)品為標(biāo)準(zhǔn)件,需求量大,與供需企業(yè)簽訂長(zhǎng)期合同,利潤(rùn)較高。企業(yè)決定固化兩臺(tái)數(shù)控設(shè)備專(zhuān)門(mén)進(jìn)行該法蘭的生產(chǎn),同時(shí)為滿(mǎn)足供貨要求,提高生產(chǎn)效率,擬對(duì)現(xiàn)行人工上下料生產(chǎn)模式進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)地考察,綜合需求、參數(shù)、成本、場(chǎng)地等因素,提出在不改變?cè)袡C(jī)床布局的情況下設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化上下料系統(tǒng),用于自動(dòng)裝卸工件,并實(shí)現(xiàn)連續(xù)性生產(chǎn)。設(shè)計(jì)基本思路為,采用自動(dòng)傳輸裝置與控制系統(tǒng),配合坐標(biāo)機(jī)械手,在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)輸送、裝夾、取件等一系列操作,配套動(dòng)力、控制等輔助系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)控制,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。

現(xiàn)場(chǎng)有LK020A型數(shù)控車(chē)床,配置發(fā)那科系統(tǒng),主要參數(shù)表見(jiàn)1。產(chǎn)品為八位連接孔標(biāo)準(zhǔn)法蘭,大端外徑為94 mm。

表1 機(jī)床主要參數(shù)

針對(duì)八位連接孔標(biāo)準(zhǔn)法蘭產(chǎn)品的生產(chǎn)實(shí)際,確定自動(dòng)化上下料系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu),如圖1所示。這一自動(dòng)化上下料系統(tǒng)由供料裝置、傳輸系統(tǒng)、裝夾系統(tǒng)、輔助伺服系統(tǒng)構(gòu)成,采用可編程序控制器控制和工業(yè)機(jī)器人技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給、不間斷加工的循環(huán)工作狀態(tài)。

▲圖1 自動(dòng)化上下料系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3 供料裝置

利用原有機(jī)床的位置,設(shè)計(jì)供料裝置布局,如圖2所示。在每臺(tái)機(jī)床外側(cè)設(shè)置供料工作臺(tái),兩個(gè)托盤(pán)分裝毛坯件,托盤(pán)尺寸可以供18個(gè)毛坯件三行六列放置。托盤(pán)內(nèi)配套設(shè)計(jì)毛坯件定位孔,用于準(zhǔn)確定位毛坯件,為后續(xù)傳輸系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的準(zhǔn)確抓取提供條件。在托盤(pán)底部設(shè)計(jì)導(dǎo)滑槽與限位塊結(jié)構(gòu),保證托盤(pán)快速輪換及準(zhǔn)確定位。雙托盤(pán)確保在換料時(shí)間內(nèi)不間斷供料,為設(shè)備的連續(xù)工作提供保障。在原有機(jī)床位置基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì),避免了調(diào)整機(jī)床位置導(dǎo)致的設(shè)備調(diào)試成本增加、安裝周期延長(zhǎng)。結(jié)合工件加工工時(shí)、托盤(pán)輪換時(shí)間,兼顧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊性,供料裝置的緊湊布局便于后續(xù)一人兩機(jī)的生產(chǎn)安排。

▲圖2 供料裝置布局

4 傳輸系統(tǒng)

在機(jī)床外側(cè)供料工作臺(tái)與機(jī)床主軸間構(gòu)建由固定柱、滾珠絲桿、直線(xiàn)導(dǎo)軌、機(jī)械手臂、翻轉(zhuǎn)機(jī)械手,以及配套氣缸和伺服器等組成的傳輸系統(tǒng)。傳輸系統(tǒng)的工作過(guò)程為:翻轉(zhuǎn)機(jī)械手中的一個(gè)機(jī)械手將已經(jīng)加工完成的工件放回托盤(pán),執(zhí)行翻轉(zhuǎn)動(dòng)作,由另一個(gè)機(jī)械手取出毛坯件;翻轉(zhuǎn)機(jī)械手連同機(jī)械手臂在氣動(dòng)滑臺(tái)的帶動(dòng)下上升至指定高度,通過(guò)由滾珠絲桿與直線(xiàn)導(dǎo)軌構(gòu)成的直線(xiàn)運(yùn)輸帶將毛坯件橫向傳輸至機(jī)床主軸位置上方;待正在加工的工件加工完成后,在聯(lián)動(dòng)信號(hào)控制及液壓氣缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的配合下,主軸停止運(yùn)行,機(jī)床防護(hù)門(mén)開(kāi)啟,機(jī)械手臂下降至機(jī)床內(nèi)主軸位置;一個(gè)機(jī)械手完成工件抓取后執(zhí)行翻轉(zhuǎn)動(dòng)作,另一個(gè)機(jī)械手執(zhí)行工件裝夾;工件裝夾完成后,機(jī)械手臂回升至運(yùn)輸高度;防護(hù)門(mén)關(guān)閉,機(jī)床聯(lián)動(dòng)信號(hào)啟動(dòng)主軸運(yùn)行,進(jìn)行加工;翻轉(zhuǎn)機(jī)械手繼續(xù)回運(yùn)工件至托盤(pán),由此完成一個(gè)工作循壞,毛坯件及成品實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。

5 裝夾系統(tǒng)

裝夾系統(tǒng)由翻轉(zhuǎn)機(jī)械手、機(jī)械手臂及配套的氣缸與輔助機(jī)構(gòu)組成,主要實(shí)現(xiàn)去程毛坯件及回程產(chǎn)品的放置與抓取,抓取工件如圖3所示,裝卸工件如圖4所示。機(jī)床防護(hù)門(mén)由氣缸驅(qū)動(dòng),并通過(guò)信號(hào)控制器控制,對(duì)應(yīng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的工作狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)位置,實(shí)現(xiàn)防護(hù)門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉。裝夾系統(tǒng)與機(jī)床主軸的停止與啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)聯(lián)動(dòng),確保加工工序及裝卸工作有序開(kāi)展,互不交叉。

6 工作流程

自動(dòng)化上下料系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵在于與機(jī)床間的緊密配合[5],相互協(xié)作,執(zhí)行動(dòng)作有序有效、互不干涉。整套系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)需要有一套嚴(yán)密的控制系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)與機(jī)床間的信號(hào)聯(lián)動(dòng),同時(shí)配備相應(yīng)的伺服電機(jī)、氣動(dòng)裝置、可編程序控制器、接近開(kāi)關(guān)、觸摸屏等。采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)位置監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置,由可編程序控制器控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。自動(dòng)化上下料系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

▲圖3 抓取工件

▲圖4 裝卸工件

7 設(shè)計(jì)小結(jié)

自動(dòng)化上下料系統(tǒng)基于原有生產(chǎn)條件設(shè)計(jì),在投入不大的前提下,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、連續(xù)性生產(chǎn)[6],具有四方面優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)。一是標(biāo)準(zhǔn)件占比高。系統(tǒng)利用伺服電機(jī)、直線(xiàn)導(dǎo)軌、滾珠絲桿、氣缸、機(jī)械手等標(biāo)準(zhǔn)件,標(biāo)準(zhǔn)件占比達(dá)70%以上,改造周期短、成本低,后期維護(hù)較為便利。二是保持機(jī)床布局不變。自動(dòng)化上下料系統(tǒng)各部件均以原機(jī)床位置為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)布局,避免了機(jī)床移動(dòng)及再次裝調(diào),節(jié)約成本,縮短安裝時(shí)間。三是自動(dòng)化程度明顯提升。充分集成控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)及機(jī)械手,實(shí)現(xiàn)取料、放料動(dòng)作連續(xù)協(xié)作完成,達(dá)到縮短加工周期、提高生產(chǎn)效率的目的。四是系統(tǒng)具有柔性特點(diǎn)。系統(tǒng)各部分設(shè)備均基于可編程序控制器進(jìn)行控制,采用觸摸屏操作,方便、直觀,改變供料裝置及翻轉(zhuǎn)機(jī)械手,便可適用于更多產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)[7]。

8 生產(chǎn)驗(yàn)證

統(tǒng)計(jì)兩臺(tái)機(jī)床加工60個(gè)八位連接孔標(biāo)準(zhǔn)法蘭的相關(guān)數(shù)據(jù),結(jié)果較原有用時(shí)縮短105 min,無(wú)廢品產(chǎn)生,產(chǎn)品關(guān)鍵尺寸穩(wěn)定性好。生產(chǎn)方式由原一人一機(jī)改為一人兩機(jī),工人自述勞動(dòng)強(qiáng)度明顯降低。通過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證,所設(shè)計(jì)的自動(dòng)化上下料系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,具備可靠性與安全性,適宜批量生產(chǎn)。機(jī)床工作狀態(tài)如圖6所示,法蘭成品如圖7所示。

9 結(jié)束語(yǔ)

在國(guó)家智能化進(jìn)程推進(jìn)與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的大形勢(shì)下,中小微制造企業(yè)面臨諸多困難,既不能盲目升級(jí),又不能裹足不前[8]。筆者基于現(xiàn)有基礎(chǔ)條件,充分融合機(jī)器人技術(shù)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)、現(xiàn)代傳輸技術(shù),改造原始的人工上下料模式,設(shè)計(jì)了自動(dòng)化上下料系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)連續(xù)性加工,切合實(shí)際,產(chǎn)出有效[9]。應(yīng)用所設(shè)計(jì)的自動(dòng)化上下料系統(tǒng),產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益,并且順應(yīng)國(guó)家對(duì)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的要求,可以為中小微制造企業(yè)實(shí)施產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供借鑒與參考[10]。

▲圖5 自動(dòng)化上下料系統(tǒng)工作流程

▲圖6 機(jī)床工作狀態(tài)

▲圖7 法蘭成品