GLS桁架自動化加工單元的結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用

■ 沈陽機床股份有限公司 （遼寧 110142）

王力斌 馬 龍 劉 萍

近年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人力成本逐漸增加，在機加工行業(yè)中降低工人勞動強度，提高生產(chǎn)效率，減少人力成本才能更好的適應(yīng)市場競爭的需要。因此，必須利用先進設(shè)備生產(chǎn)自動化機械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求，才能更好的適應(yīng)市場競爭的需要。其中機械手是其發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動生產(chǎn)的效率，還能代替人工完成高強度、危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人的勞動強度。在機械行業(yè)中，機械手越來越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝，加工工件

的搬運、裝卸，目前機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)F M S和柔性制造單元F M C中的重要組成部分。把機床設(shè)備和機械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強。把數(shù)控機床和機械手共同構(gòu)成一個柔性制造單元，實現(xiàn)加工過程的靈活性、自動化和無人化，它適合于機械零件的大批量生產(chǎn)。

目前我國大多數(shù)工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成，其勞動強度大、生產(chǎn)效率低，已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)自動化的發(fā)展趨勢。為了提高工作效率，降低成本，并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代機械行業(yè)自動化生產(chǎn)的要求，針對具體生產(chǎn)工藝，結(jié)合機床的實際結(jié)構(gòu)，利用機械手技術(shù)，設(shè)計用一臺上下料機械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。桁架自動化加工單元具有自動上下料、自動翻面、自動檢測等功能，可以實現(xiàn)零件從毛坯到成品的全部加工工序。該單元由兩臺數(shù)控車床、一套桁架機器人、旋轉(zhuǎn)料庫、成品料庫及翻面機構(gòu)等組成，結(jié)構(gòu)布局緊湊，占地面積小、上下料路徑優(yōu)，操作便捷。

1. 桁架自動化加工單元

（1）自動化加工單元的布局。自動化加工單元由一套桁架機器人與兩臺數(shù)控車床串聯(lián)組成，毛坯旋轉(zhuǎn)料庫位于自動線左側(cè)，成品料庫位于自動線右側(cè)，工件翻面模塊位于兩臺機床中間立柱處（見圖1），左側(cè)為第1序OP10數(shù)控機床，右側(cè)為第2序OP20數(shù)控機床。桁架機器人負責(zé)從料庫去料并完成此兩臺機床的上下料，1序到2序之間要經(jīng)過翻面平臺進行一次翻面。

圖1 桁架自動化加工單元布局圖

（2）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及主要技術(shù)參數(shù)。在兩臺數(shù)控機床中間用兩根立柱支撐橫梁導(dǎo)軌，兩根立柱在高度方向設(shè)計可調(diào)，此結(jié)構(gòu)具有節(jié)省空間的特點，占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊。橫梁導(dǎo)軌采用齒輪齒條傳動，采用潤滑毛氈齒輪和集中潤滑系統(tǒng)對傳動齒輪進行有效的潤滑和冷卻，采用大模數(shù)的斜齒輪齒條傳動，有效地降低了工作噪音。經(jīng)過嚴格計算，選配出的驅(qū)動電動機使兩軸最大加速度為4m/s2，水平軸快移速度達到100m/m i n、豎直軸快移速度達到80m/min的設(shè)計要求。桁架機械手兩軸重復(fù)定位精度為±0.1mm，抓取重量為25kg(含手部)。

2. 桁架自動化加工單元的主要模塊結(jié)構(gòu)

（1）旋轉(zhuǎn)料庫。自動線的毛坯料與成品料由16工位的旋轉(zhuǎn)托盤式料庫（見圖2）實現(xiàn)裝載，料庫可裝直徑為φ50～φ150mm的盤類零件，堆積料高可達到400mm，工件毛坯由人工放在旋轉(zhuǎn)料庫中，該料倉配置了上料與下料的兩個工位, 通過電動機和鏈條帶動的料庫旋轉(zhuǎn)已達到傳送物料的作用。料倉的上料與下料位處分別設(shè)置有兩套提升與下降機構(gòu)，料庫執(zhí)行程序根據(jù)信號自動控制，當(dāng)上料與下料絲杠均移動到下極限位置時，兩個托板氣缸退回，轉(zhuǎn)位電動機帶動分割器實現(xiàn)托盤60°轉(zhuǎn)位。轉(zhuǎn)位完成后托板氣缸均推出，上料與下料絲杠上移到對應(yīng)的感應(yīng)開關(guān)位置，此時旋轉(zhuǎn)料庫配合機械手的取料和放料，依靠對射開關(guān)控制上、下料提升機構(gòu)的自動運行。實現(xiàn)與機械手模塊的上下料動作。料倉由傳感器感應(yīng)信號控制上下料的升降，以及每次動作的行程。

（2）機械手模塊（見圖3）。機械手模塊由1套帶有直線氣缸的抓手支架和1套氣爪組成，可同步完成上料與下料動作，上下料效率高。兩個氣爪均采用卡工件外圓方式，單套氣爪抓取工件最大重量為5kg，要求氣源壓力為0.5MPa以上。手爪設(shè)計成可調(diào)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)零件外徑尺寸的變化。氣爪配有工件彈出機構(gòu)，保證在上料時，工件定位面可靠的壓在卡盤夾具的定位面上，保證工件加工的上料穩(wěn)定性。

圖3 機械手示意圖

圖2 料庫示意圖

（3）工件翻面模塊。翻面模塊采用氣動單元的有機組合來實現(xiàn)工件兩序之間的換面操作（見圖4）。由于零件是按照兩序加工的，考慮到自動線的結(jié)構(gòu)緊湊性和翻轉(zhuǎn)的快速可靠性，因此，在自動線的兩序之間加一個翻轉(zhuǎn)工位來實現(xiàn)對工件的180°翻轉(zhuǎn)。具體工件動作為：上料時，機械手模塊將工件放置在帶導(dǎo)桿氣缸的定位盤上，寬型氣爪將工件夾緊，帶導(dǎo)桿氣缸退回，擺臺帶動寬型氣爪完成180°翻面，帶導(dǎo)桿氣缸伸出接住工件，寬型氣爪松開。機械手模塊將工件抓走。

圖4 翻面裝置

（4）人工抽檢臺。自動線設(shè)有人工固定檢測平臺（見圖5），可根據(jù)客戶工藝要求，編程設(shè)置完成指定數(shù)目的工件后機器人就自動放置一個成品到檢測平臺就進行抽檢，操作者可以將放在固定平臺上的工件拿走進行人工測量。

圖5 檢測臺示意圖

3. 桁架機械手工作流程節(jié)拍和零件加工節(jié)拍實例

桁架自動化加工單元要求自動線工作流程節(jié)拍小于或等于機床加工零件的最大節(jié)拍，才可保證生產(chǎn)線的最大加工效率。桁架機械手的工作流程可分為以下6步：①機械手從料庫上料區(qū)抓料至機床OP10上方。②機械手將工件送進OP10機床，裝卸料，然后運行至翻面區(qū)上方。③機械手將工件放入翻轉(zhuǎn)臺手爪內(nèi)，然后翻轉(zhuǎn)裝置將工件換面。④機械手從翻轉(zhuǎn)臺抓取第1序成品，翻轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)并返回至起始位置。⑤機械手將工件放進OP20機床，裝卸料，然后運行至料庫下料區(qū)。⑥機械手下料，并返回至料庫上料區(qū)上方等待。每個工作流程都是按照上述6步循環(huán)。桁架機械手動作節(jié)拍如附表所示。

桁架機械手動作節(jié)拍表

以加工的φ92mm離合器盤轂為例，第1序加工時間為70s，第2序加工時間為66s。而機械手的節(jié)拍為62s，小于零件兩序的加工節(jié)拍，故此機械手自動線滿足機床處于最大利用率的要求。

4. 結(jié)語

桁架自動化加工單元應(yīng)用在機加工生產(chǎn)線，大大提高了機械加工的自動化程度，生產(chǎn)效率大幅度提高，大大的解放了勞動力，節(jié)約了人力成本，給用戶帶來可觀的經(jīng)濟效益。該加工單元主要適用于多品種、高精度的加工，具有通用互換性，更具有柔性、精密、智能的特點，是未來機加工行業(yè)的發(fā)展方向。該加工單元的成功應(yīng)用，使得數(shù)控加工技術(shù)更加錦上添花。