數(shù)控車(chē)削自動(dòng)送料裝置設(shè)計(jì)與控制*

黃慶專(zhuān) 程志杰

(福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 泉州362000)

數(shù)控車(chē)削加工，正常情況下，采用人工操作機(jī)床、裝夾軸類(lèi)工件。操作裝在機(jī)床主軸法蘭上的三爪卡盤(pán)夾緊工件，裝夾與對(duì)刀耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，降低了數(shù)控車(chē)床的有效利用率。對(duì)批量加工產(chǎn)品的數(shù)控車(chē)床有必要開(kāi)發(fā)自動(dòng)送料裝置［1］，使機(jī)床可連續(xù)循環(huán)加工，從而提高設(shè)備的自動(dòng)化程度與加工效率。

1 車(chē)削工件特征及研發(fā)自動(dòng)送料裝置的分析

如圖1 所示，導(dǎo)磁軸零件尺寸為φ6 mm×60.5 mm，最小達(dá)M3，屬于細(xì)長(zhǎng)軸工件。根據(jù)需要，計(jì)劃加工20萬(wàn)件左右，屬于大批量生產(chǎn)。

加工效率分析:正常情況下，采用人工裝夾加工，一天工作12 h 僅能完成約400 根。面對(duì)20 萬(wàn)件產(chǎn)品，生產(chǎn)周期將太長(zhǎng)，于是計(jì)劃研制自動(dòng)送料器，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)刀加工。通過(guò)研究分析，使用自動(dòng)送料裝置，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)在相同時(shí)間內(nèi)能實(shí)現(xiàn)近2.3 倍加工效率(約920 根)，加工過(guò)程穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。

人工成本分析:0.45 元/根，20 萬(wàn)根計(jì)算，需要人工成本9 萬(wàn)元，而采用自行設(shè)計(jì)的自動(dòng)送料裝置所花的設(shè)備成本不到3 千元，考慮設(shè)備維護(hù)等其他成本，也多不了多少。因此，人工成本方面為企業(yè)節(jié)省很大支出。

2 自動(dòng)送料裝置機(jī)械部分設(shè)計(jì)

自動(dòng)送料裝置機(jī)械設(shè)計(jì)包括兩部分:一是落料箱體，二是送料機(jī)構(gòu)，其中送料機(jī)構(gòu)動(dòng)作與箱體落料二者的工作協(xié)調(diào)一致是核心。

圖2 為自動(dòng)送料裝置工作原理圖，其中上半部分為落料箱，下部為氣動(dòng)送料機(jī)構(gòu)。落料箱是用鍍鋅板材料折彎成，設(shè)計(jì)尺寸為300 mm×150 mm×150 mm，每次可裝容量為1000 根(大于920 根)導(dǎo)磁軸，能保證一天12 h 的加工需要。再焊接一個(gè)架子(圖中沒(méi)有畫(huà)出)與箱體聯(lián)接再固定到機(jī)床上，固定過(guò)程中，調(diào)試保證聯(lián)接軸2 與機(jī)床主軸軸線同軸。

送料協(xié)調(diào)工作過(guò)程:落料箱內(nèi)裝滿導(dǎo)磁軸，導(dǎo)磁軸在重力作用下匯集于落料口5 處，落料口開(kāi)度不足以使導(dǎo)磁軸掉下去，氣缸3 控制落料口開(kāi)度;氣缸1 控制送料，通過(guò)落料槽與聯(lián)接軸把落料導(dǎo)磁軸送到機(jī)床氣動(dòng)夾頭(由原來(lái)的卡盤(pán)改造);氣缸1 和氣缸3 的協(xié)調(diào)控制通過(guò)調(diào)試與電氣控制實(shí)現(xiàn)，先落料后送料。其中，聯(lián)接軸2 是與車(chē)床鋼管同軸間隙連接，軸向上有2 mm左右的間隙，以免在機(jī)床主軸鋼管帶動(dòng)下回轉(zhuǎn);磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)作用是在氣缸3 動(dòng)作后，檢測(cè)不到導(dǎo)磁軸落下時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警提示。

3 自動(dòng)送料裝置的電氣控制設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)送料與工件定位關(guān)系分析

電氣控制設(shè)計(jì)是保證自動(dòng)送料裝置與機(jī)床協(xié)調(diào)工作的關(guān)鍵，因此送料過(guò)程必須結(jié)合數(shù)控車(chē)床加工與控制技術(shù)，特別是機(jī)床加工工件定位問(wèn)題(對(duì)刀)、程序執(zhí)行過(guò)程［2］。

周密考慮每一次加工的工件坐標(biāo)系(坐標(biāo)偏置)一致性，確保工件正確定位，因?yàn)榧庸こ绦蛞唤?jīng)確定便不會(huì)自動(dòng)改變。從工作過(guò)程圖(圖3 所示)可以清楚地看到，利用機(jī)床刀架從右向左運(yùn)動(dòng)的控制特點(diǎn)，巧妙地實(shí)現(xiàn)把工件右端面定位到Z 軸的Z0點(diǎn)。而X 軸的X0點(diǎn)默認(rèn)為氣動(dòng)夾頭的軸線，因?yàn)槁?lián)接軸、不銹鋼管、氣動(dòng)夾頭都是同軸。因此，在機(jī)床加工前設(shè)好Z 軸Z0位置與X 軸X0位置的坐標(biāo)偏置，即對(duì)刀。加工送料時(shí)，將導(dǎo)磁軸推出超過(guò)Z0點(diǎn)一定位置，依靠刀具側(cè)面定位將推回Z0點(diǎn)，然后氣動(dòng)夾頭夾緊［3］，并驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床開(kāi)始自動(dòng)加工運(yùn)行。

3.2 自動(dòng)送料氣缸動(dòng)作控制設(shè)計(jì)

結(jié)合以上分析，綜合考慮送料裝置動(dòng)作、工件裝夾、坐標(biāo)系定位與數(shù)控程序運(yùn)行等設(shè)計(jì)相匹配的電氣控制回路。

分析循環(huán)控制過(guò)程:循環(huán)起點(diǎn)，氣動(dòng)夾頭松開(kāi)→氣缸1 動(dòng)作推出工件(打出已加工工件，如圖3a)→氣缸1 停止推出(配合加工程序運(yùn)行)→氣缸1 繼續(xù)動(dòng)作推出工件(工件到位)→刀架動(dòng)作定位工件Z0點(diǎn)(如圖3b)→氣動(dòng)夾頭夾緊→氣缸1 退回原位→加工程序運(yùn)行(加工工件)→氣缸3 推出落料(準(zhǔn)備下一次加工)→氣缸3 退回→氣動(dòng)夾頭松開(kāi)，在沒(méi)有報(bào)警情況下，數(shù)控車(chē)床與送料裝置按此循環(huán)周而復(fù)始地運(yùn)行加工。

完整控制包含兩部分:電氣控制［4］和數(shù)控程序輔助M 控制［5］。

其中部分氣缸動(dòng)作由新增電氣控制實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。當(dāng)車(chē)床主軸夾頭松開(kāi)時(shí)，中間繼電器KA6 閉合，時(shí)間繼電器KT1、中間繼電器KA1 得電，KT1 開(kāi)始計(jì)時(shí)(氣缸1 的循環(huán)時(shí)間)，KA1 常開(kāi)閉合，氣缸開(kāi)始前進(jìn)送料，當(dāng)氣缸運(yùn)動(dòng)到磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)QS1 時(shí)，QS1 閉合時(shí)間繼電器KT2、KA2 得電，開(kāi)始計(jì)時(shí)，同時(shí)中間繼電器KA2 常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，電磁閥1YA 失電，氣缸停止前進(jìn)。當(dāng)KT2 時(shí)間到時(shí)，KT2 常閉就延時(shí)斷開(kāi)，KA2線圈失電，KA2 常閉重新閉合，氣缸繼續(xù)送料直至工件定位刀位及主軸夾緊。當(dāng)KT1 時(shí)間到時(shí)，KT1 常閉延時(shí)斷開(kāi)，KA1 線圈失電，KA1 常閉重新閉合，KA3 線圈就得電，KA3 常開(kāi)就閉合，電磁閥2YA 得電，氣缸開(kāi)始后退。當(dāng)氣缸后退碰到磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)SQ2 時(shí)，SQ2 閉合，中間繼電器KA4 得電，KA4 常閉斷開(kāi)，中間繼電器KA3 失電，氣缸就停止后退。電氣控制部分注意:KT1的時(shí)間要大于KT2 的時(shí)間，同時(shí)KT1 的時(shí)間要與車(chē)床配合，其時(shí)間要大于主軸松開(kāi)到夾緊所用的時(shí)間，以保證工件有時(shí)間準(zhǔn)確定位及夾緊。

數(shù)控程序加工與M 控制部分［5］:自動(dòng)送料的驅(qū)動(dòng)控制指令型號(hào)，必須融合到數(shù)控機(jī)床整體運(yùn)行加工中，即通過(guò)增加機(jī)床輔助M 功能，在數(shù)控加工程序編制中體現(xiàn)，如程序表1 中的M12 、M13 等。確保自動(dòng)送料電氣控制與機(jī)床運(yùn)行協(xié)調(diào)工作。

氣缸的進(jìn)退、延時(shí)的時(shí)間、氣缸的氣壓的大小調(diào)節(jié)，是用來(lái)配合程序運(yùn)行的，這里將控制氣動(dòng)夾頭的繼電器KA6 的一個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)延出，當(dāng)程序中運(yùn)行到M13指令時(shí)KA6 常開(kāi)閉合，開(kāi)始控制電磁閥的動(dòng)作，這時(shí)第一次快速打出加工完的工件，延時(shí)到后第二次再將工件從夾頭里送出一部分長(zhǎng)度，刀具靠進(jìn)去定位。當(dāng)運(yùn)行到M12 指令時(shí)，繼電器KA6 失電，這時(shí)氣缸開(kāi)始退出，退出后主軸才可開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，工件切削開(kāi)始。這樣就可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)送料和自動(dòng)循環(huán)加工的功能。

表1 符合自動(dòng)送料的數(shù)控加工程序格式［6］

4 結(jié)語(yǔ)

大批量車(chē)削加工細(xì)長(zhǎng)軸工件時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)送料裝置使其與數(shù)控車(chē)床協(xié)調(diào)工作，能夠降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少企業(yè)人工成本支出。設(shè)計(jì)時(shí)周密考慮機(jī)械控制部分、電氣控制部分、機(jī)床輔助控制部分，以及數(shù)控加工程序之間的關(guān)系。介紹了加工細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)磁軸使用的自動(dòng)送料裝置的設(shè)計(jì)，裝置簡(jiǎn)單、方便、實(shí)用、制造成本低，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)送料和數(shù)控機(jī)床自動(dòng)循環(huán)加工的控制功能。本設(shè)計(jì)已經(jīng)在某電氣設(shè)備制造公司投入使用。

［1］馮培鋒，李穎新，富國(guó)華. 數(shù)控車(chē)床棒料送料裝置的類(lèi)型及其選擇［J］，集美大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2000，5(3):46 -49.

［2］岳錫芬. 數(shù)控車(chē)床單機(jī)自動(dòng)化的途徑及若干技術(shù)問(wèn)題［J］. 中國(guó)制造業(yè)信息化. 2005(10):129 -132.

［3］趙玉峰，孔博. 一種簡(jiǎn)易實(shí)用的夾具在數(shù)控車(chē)床上的應(yīng)用［J］. 機(jī)械工程師. 2009(04):139.

［4］袁忠，申愛(ài)民. 機(jī)床電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)［M］，北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［5］羅志增，張衛(wèi)，顧培民. 一種實(shí)用的車(chē)床自動(dòng)供料裝置及其控制系統(tǒng)［J］，機(jī)電工程，1998(3):13 -14.

［6］申曉龍，數(shù)控加工技術(shù)［M］，北京:冶金工業(yè)出版社，2008.