陳維范，薛 丹

（1.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學院，沈陽 110161；2.沈陽機床股份有限公司，沈陽 110142）

0 引言

國內(nèi)制造業(yè)生產(chǎn)自動化水平在逐步提高，數(shù)控機床的上下料由人工轉(zhuǎn)為機器自動化成為必然[1]。柔性加工單元（FMC）可以看作是擴大功能的鏜銑或車削加工中心。各種加工中心配上了自動裝卸工件、自動檢測裝置，就成了FMC[2]。提高機床自動化可以減輕工人的勞動強度和更好地保證加工精度及其穩(wěn)定性[3]。機床上下料裝置在提高機床的自動化程度和加工效率，降低人工成本方面發(fā)揮著重要作用[4]。

目前，柔性加工單元較為常見的上下料方式有桁架式機械手和關(guān)節(jié)式機械手兩種。這兩種方式一般是一臺或多臺車削加工中心配備一臺機械手，相對內(nèi)置式機械手的柔性單元結(jié)構(gòu)比較復雜、占地面積較大、制造成本較高。

根據(jù)某用戶的需求，在某型車削加工中心的基礎上，設計了一種內(nèi)置式機械手柔性加工單元。設計了專用夾具，能夠自動檢測，實現(xiàn)精確定位。將原來的轉(zhuǎn)塔刀架改為排刀結(jié)構(gòu)，且可根據(jù)需要在排刀板上安裝動力頭。加工單元配備內(nèi)置式機械手和振動料倉，該機械手采用氣動驅(qū)動，上下料一體化設計，可實現(xiàn)手動和自動兩種上下料方式。加工單元還具有自動檢測裝置，對于上料過程中產(chǎn)生的安裝位置不符合要求的毛坯件進行自動檢測，自動上下料的時間控制在10秒鐘以內(nèi)，與人工相比顯著提高了生產(chǎn)效率。

1 工件工藝分析與夾具設計

1.1 工藝分析

以該加工單元上加工的一種工件的一道工序為例進行工藝分析。如圖1(a)所示為毛坯件圖，毛坯件直徑、長度26mm。如圖1(b)所示，為工件圖。

圖1 毛坯件與工件圖

表1 工件加工工序卡

1.2 夾具設計

夾具設計了定位面和自動檢測氣孔，實現(xiàn)精確定位和自動檢測的功能，如圖2所示。自動上料裝置可保證夾持毛坯件的端面與機床主軸垂直，垂直度不大于0.02mm，可以保證毛坯件的定位面與夾具的定位面緊密接觸，由上料裝置與夾具共同保證工件的加工精度。

圖2 夾具圖

2 柔性加工單元的設計

2.1 主機結(jié)構(gòu)

機床采用45°整體斜床身車，機床最大回轉(zhuǎn)直徑為φ400，最大切削長度210mm，最大切削直徑為φ160，主電機功率為11Kw/7.5Kw（30min/連續(xù)），機床加工精度為IT6，主機結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機床主機結(jié)構(gòu)

為了便于上下料機構(gòu)的安裝，機床采用排刀結(jié)構(gòu)。排刀板上可安裝刀夾6套，其中：外圓刀夾正、反各一套，端面刀夾正、反各一套，鏜孔刀夾兩套，如圖4所示。用戶根據(jù)需要也可在排刀板上安裝動力頭。

圖4 排刀刀架結(jié)構(gòu)圖

2.2 整體方案設計

加工單元是在車削加工中心主機上配置上下料機構(gòu)，如圖5所示。加工單元具有自動檢測裝置，對于上料過程中產(chǎn)生的安裝位置不符合要求的毛坯件進行自動檢測，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警信號，自動停止加工程序，解除故障后自動復位。機械手的動作和機床程序由I/O信號連接，實現(xiàn)上料→加工→下料等連續(xù)加工過程的自動化。

上下料機構(gòu)主要由支架2、料倉3、料道4、閥島5、上料機械手7、下料機械手8、滑道9等組成。

振動料倉3用支架2安裝在床身1的后側(cè)，料倉的毛坯件容量為500件。毛坯件由料道4輸送至主軸夾具上方指定位置；由下料機械手8將工件從夾具上卸下，送至安裝在防護罩10上的滑道9將工件放入料箱；由上料機械手7抓取料道4出口的毛坯件并放入夾具內(nèi)。閥島5安裝在主軸箱6的上部，將電信號轉(zhuǎn)換成氣動力，實現(xiàn)氣缸動作。

圖5 柔性加工單元結(jié)構(gòu)圖

2.3 料倉與料道結(jié)構(gòu)設計

自動料倉通過振動方式實現(xiàn)自動、有序供料。料倉有選料裝置，根據(jù)毛坯件的加工位置和裝夾方式來判斷毛坯件的開口方向，使毛坯件按照正確開口方向通過。用料道連接振動料倉與上料臂，實現(xiàn)逐個上料，如圖6所示。

圖6 料倉及料道結(jié)構(gòu)圖

工作過程：首先在料倉1中裝毛坯件；工作中通過3號傳感器控制料倉給料，毛坯件進入料道2后，被5號裝置擋??；當系統(tǒng)要求送料時，4號裝置擋料，5號裝置松開，單個毛坯件即滾至出料口，然后5號裝置擋住，4號裝置松開，毛坯件依次下移，等待下次給料。

2.4 上下料機械手結(jié)構(gòu)設計

如圖7(a)、圖7(b)所示，分別為上料機械手和下料機械手結(jié)構(gòu)圖。上下料機械手通過對9個氣缸的組合控制，實現(xiàn)加工單元的自動上料、自動下料功能。在此過程中，如果料道缺料，檢測開關(guān)將發(fā)出信號，振動料倉將自動供料，解除后自動復位。

工作過程：首先將機械手上電，并設置為自動工作模式，機床發(fā)出上料信號后，PLC自動檢測料道末端是否有料，如果無料，PLC將控制料道上的擋停料裝置，放下一個毛坯件；如果有料，5號氣缸動作，在料道出口抓取毛坯件；同時4號氣缸動作，抵住毛坯件；7號氣缸動作，使9號氣缸到達適當位置；9號氣缸動作，夾持工件；6號氣缸動作，將工件從夾具中取出；7號、8號氣缸同時動作，將工件移出機床加工區(qū)；9號氣缸動作，將工件放入集料倉；進行的同時，1號氣缸動作，將毛坯件移出料道；2號氣缸動作，將毛坯件與夾具對心；3號氣缸動作，將毛坯件移進夾具；5號氣缸動作，松開毛坯件；同時4號氣缸推進，將毛坯件靠嚴；待夾具夾緊毛坯件后，4號、3號、2號氣缸復位；1號氣缸動作，上料機械手復位；同時，7號氣缸動作，下料機械手復位，機床開始加工，一個加工周期結(jié)束。

圖7 上下料機械手結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)語

內(nèi)置式機械手柔性加工單元在車削加工中心上加裝料倉、料道和氣動上下料機械手等機構(gòu)，實現(xiàn)手動和自動兩種上下料方式。加工單元還具有自動檢測裝置，保證工件加工有序進行，實現(xiàn)加工過程的自動化。每個工件上下料時間10s，全部加工時間27s，其生產(chǎn)效率與人工相比得到顯著提高，滿足了用戶的需求。