工業(yè)制動器缸體桁架機(jī)械手自動線應(yīng)用開發(fā)

李玉榮

（寧夏小巨人機(jī)床有限公司技術(shù)部，寧夏銀川 750002）

隨著國內(nèi)用工成本上升以及產(chǎn)業(yè)升級需求，目前國內(nèi)許多機(jī)械加工工廠面臨生產(chǎn)方式升級。機(jī)械加工設(shè)備無人化生產(chǎn)，利于生產(chǎn)管理、控制質(zhì)量、壓縮人員成本、綜合提升工廠能力。單機(jī)自動化、多機(jī)自動化已成為必然選擇，可有效減少現(xiàn)場人員，降低勞動力成本。故此為用戶提供高質(zhì)量、高效率、高柔性的生產(chǎn)單元或生產(chǎn)線將成為機(jī)床行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

本文介紹的自動生產(chǎn)線是集寧夏小巨人機(jī)床高速加工中心VTC160AN、寧夏新瑞長城機(jī)床有限公司LG32數(shù)控車床及桁架機(jī)械手等為一體的柔性結(jié)合的數(shù)控加工自動線，用于完成工業(yè)制動器缸體加工，生產(chǎn)線為全自動運(yùn)轉(zhuǎn)模式，采用現(xiàn)場總線技術(shù)，對線上的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時控制和實(shí)時監(jiān)控，并設(shè)有總控室對全線的生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行掌控，生產(chǎn)線的現(xiàn)場設(shè)置大屏幕實(shí)時顯示生產(chǎn)線狀態(tài)信息。它充分吸取了國外桁架機(jī)械手生產(chǎn)線的特點(diǎn)，根據(jù)產(chǎn)能要求及工件特點(diǎn)，優(yōu)化工藝流程，實(shí)現(xiàn)“一個流”設(shè)計(jì)，完成制動器缸體從毛坯至成品。

1 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

1.1 基本信息

生產(chǎn)線加工工件為工業(yè)制動器缸體，毛坯材質(zhì)為45鋼，精鍛件，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為年產(chǎn)1萬套，機(jī)械生產(chǎn)線完成由毛坯至成品（見圖1）。

1.2 工藝方案

根據(jù)生產(chǎn)線“一個流”設(shè)計(jì)要求，考慮此工件自身特點(diǎn)，根據(jù)圖紙及相關(guān)精度要求，將此工件分7道工序進(jìn)行，根據(jù)加工內(nèi)容計(jì)算分配，可實(shí)現(xiàn)單機(jī)節(jié)拍平衡。由于此工件關(guān)鍵在于缸孔內(nèi)密封槽加工，既要求與缸孔同軸亦要求槽底粗糙度Ra1.6 μm，以滿足高壓狀態(tài)時密封要求。根據(jù)材料工藝性及使用要求，采用車床完成，車削完成可保證槽底紋路為環(huán)形，利于密封。主要工藝思路構(gòu)想如下，基于工件產(chǎn)品質(zhì)量保證及便于自動模式實(shí)施，優(yōu)先考慮后工序精基準(zhǔn)加工，完成加工底面及螺栓孔，將其中兩螺栓孔精加工作為定位工藝孔，后序即以此為基準(zhǔn)根據(jù)節(jié)拍、圖紙精度要求完成其他面加工。

簡要如下:OP10加工缸體大面及工藝基準(zhǔn)（見圖2）;OP20采用4軸回轉(zhuǎn)方式加工長度方向面及孔（見圖3）;OP30采用4軸回轉(zhuǎn)方式加工寬度方向面及孔（見圖4）;OP40粗加工缸孔、缸孔面及缸孔內(nèi)油孔（見圖5）;OP50精加工缸孔面及缸孔內(nèi)槽粗加工（見圖6）;OP60、OP70采用車床精車缸孔及槽（見圖7），采用兩臺。生產(chǎn)線根據(jù)產(chǎn)能要求及工藝內(nèi)容，模擬切削路徑計(jì)算由7臺設(shè)備組線完成。

1.3 自動線布局

機(jī)床有效價值在于切屑產(chǎn)出時間，此工件單工序加工節(jié)拍為10 min，機(jī)械手在工序間運(yùn)動時間與機(jī)床加工重合，因此占用機(jī)床加工有效時間即為機(jī)械手與機(jī)床工件交換時間，即設(shè)計(jì)時主要考慮上下料占用機(jī)床停機(jī)時間的最小化。基于此原則，桁架設(shè)計(jì)從機(jī)械手運(yùn)動速度與上下料時機(jī)械手方式出發(fā)。此生產(chǎn)線機(jī)械手設(shè)計(jì)輸送速度X軸為100 m/min，Z軸為60 m/min。再次綜合考慮到此工件外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工件重量35 kg，桁架機(jī)械手設(shè)計(jì)采用同一托架雙豎軸結(jié)構(gòu)（見圖8），其中一豎軸負(fù)責(zé)工件上料，另一豎軸負(fù)責(zé)工件下料，可有效縮減機(jī)床停機(jī)等待上下料時間。測算上下料信號確認(rèn)環(huán)節(jié)及豎軸向下運(yùn)動環(huán)節(jié)，采用同一托架雙豎軸可以有效將上下料時間控制在45 s以內(nèi)，這樣遠(yuǎn)優(yōu)于采用人工懸臂吊方式，有效節(jié)省停機(jī)時間。

根據(jù)用戶現(xiàn)場整體物流情況，此生產(chǎn)線“一”字排布，采用串聯(lián)方式，共采用雙豎軸兩套（Y1、Y2），單豎軸（Y3），其中Y1負(fù)責(zé) OP10、OP20工序，Y2負(fù)責(zé)OP30、OP40、OP50 工序，Y3負(fù)責(zé) OP60、OP70 工序（見圖9）。各桁架機(jī)械手單元之間采用自動輸送料道聯(lián)接，OP10與OP20涉及工件姿態(tài)調(diào)整，采用機(jī)構(gòu)進(jìn)行工件姿態(tài)翻轉(zhuǎn)。上下料根據(jù)現(xiàn)場布局需要設(shè)計(jì)2 h進(jìn)行人工裝卸工件。

制動器缸體毛坯由Y1門式機(jī)器人的機(jī)械手Z1從上料區(qū)自動料倉中抓取出來，快進(jìn)到第一工序的加工中心OP10的工件等待區(qū)，當(dāng)OP10加工中心完成第一工序OP10加工后，機(jī)械手進(jìn)入到機(jī)床內(nèi)部，定點(diǎn)到工件交換區(qū)，Z2先將OP10加工完成的工件卸下，Y1移動相關(guān)夾具工位，Z1將工件送到夾具，然后退出機(jī)床內(nèi)部，快進(jìn)到姿態(tài)翻轉(zhuǎn)工位，該工位完成工件的翻轉(zhuǎn)180°動作，機(jī)械手Z2抓取翻轉(zhuǎn)后的工件快進(jìn)到OP20的機(jī)床工件等待區(qū)，當(dāng)機(jī)床完成工件的OP20的加工后，執(zhí)行和OP10相同的動作，將工件進(jìn)行交換，然后機(jī)械手將OP20完成的工件放到中轉(zhuǎn)輸送料道，托盤上有定位裝置，將工件進(jìn)行中心定位。輸送托盤將工件輸送至Y2待料工位，Y2如同Y1，執(zhí)行類似動作，OP50完成品由機(jī)械手放置中轉(zhuǎn)輸送，將工件輸送至Y3待料工位，OP60、OP70由Y3負(fù)責(zé)上下料，成品放置輸送帶下料，滿料后料道指示燈指示。

2 機(jī)床選擇及機(jī)床相關(guān)選項(xiàng)

此生產(chǎn)線根據(jù)工件規(guī)格大小，采用寧夏小巨人機(jī)床有限公司VTC160AN與寧夏新瑞長城機(jī)床有限公司LG32數(shù)控車床，由桁架機(jī)械手串聯(lián)，桁架機(jī)械手間由機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)或傳動實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)缸體自動生產(chǎn)線。

2.1 加工中心VTC160AN

VTC160AN立式加工中心是一種高速、功能強(qiáng)大的鏜銑類立式加工中心，該產(chǎn)品采用了先進(jìn)的移動立柱、固定工作臺式結(jié)構(gòu)，使機(jī)床在精度、剛性和使用壽命等方面具有明顯的優(yōu)勢。由于工作臺不移動，和同規(guī)格的動工作臺式結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品相比，工作臺上可以放置更大的工件和異形工件且與機(jī)床的其它部分無干涉發(fā)生。另外，機(jī)床頂部防護(hù)開闊性，利于桁架機(jī)械手介入，工作臺整個加工區(qū)域可以由桁架機(jī)械手全面覆蓋。設(shè)備主軸電動機(jī)輸出功率達(dá)15 kW，主軸最高回轉(zhuǎn)速度達(dá)到10 000 r/min，主軸電動機(jī)采用雙繞組電動機(jī)方式，可以適應(yīng)鋼件、鑄鐵重切削加工以及鋁件等的高速、高精度加工需要。X/Y/Z軸快移速度達(dá)30 m/min，刀具交換時間僅1.5 s（刀到刀），可以最大限度地減少非加工時間。

桁架機(jī)械手介入，加工中心需要增加相應(yīng)非標(biāo)設(shè)計(jì)以應(yīng)對自動化帶來的過程自動確認(rèn)問題。由于機(jī)械加工過程中產(chǎn)生大量切屑，切屑的存在具有隨意性，此為實(shí)現(xiàn)自動化上下料最大難點(diǎn)，方案設(shè)計(jì)時設(shè)備需重點(diǎn)考慮。為適應(yīng)自動化要求，設(shè)備需要增加必要的非標(biāo)設(shè)計(jì)進(jìn)行對應(yīng)，適應(yīng)自動化時無人干與要求。主要非標(biāo)相關(guān)設(shè)計(jì)如下:

（1）獨(dú)立夾具液壓控制單元 夾具動作由電磁閥進(jìn)行控制，相互形成互鎖，同時對相應(yīng)壓力進(jìn)行檢測，有效解決夾具動作順序時序性與可靠性。

（2）刀具折損檢測 具體采用美德龍 CSRNEA－01拔桿式刀具檢測，解決加工過程中刀具折損判斷同時可節(jié)省占用切削時間。其他機(jī)夾刀具根據(jù)刀片統(tǒng)計(jì)壽命由設(shè)備刀具相關(guān)信息進(jìn)行壽命報警和更換。

（3）夾具定位塊定位面 有效減小定位面面積，確保定位塊定位面被工件基準(zhǔn)全覆蓋，即避免定位面切屑存在可能。

（4）夾具定位塊定位面專用沖屑機(jī)構(gòu) 獨(dú)立水泵控制，過濾精度50 μm，解決定位面切屑存在可能。

（5）機(jī)床工件到位檢測 采用FESTO SOPA－CM1－H－R1－H－Q6－2P－M12，解決工件定位面著實(shí)可靠的判斷。

（6）夾具工件定位 采用插銷定位，且插銷頭部導(dǎo)向處理，解決機(jī)械手定位精度問題。

（7）工件松開 采用托起機(jī)構(gòu)，解決夾具油缸是否松開判斷，避免在夾具油缸故障時機(jī)械手有效抓取。

（8）工件定位銷孔沖屑裝置設(shè)計(jì) 由于采用一面兩銷定位，定位銷孔為通孔，定位銷動作造成工件在此兩孔內(nèi)切屑堆積，故此在各工序間設(shè)置機(jī)床內(nèi)部定位銷孔沖屑工位，有效解決孔內(nèi)切屑問題。

2.2 高速車床

LG32型機(jī)床系兩軸聯(lián)動數(shù)控車床，主機(jī)采用傾斜45°臥式圓筒筋結(jié)構(gòu)床身以及全封閉防護(hù)結(jié)構(gòu)。配FANUC控制系統(tǒng)及交流伺服系統(tǒng)。設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)配置的不同變化和用戶的特殊要求，提供具備特殊功能的個性化產(chǎn)品。為實(shí)現(xiàn)桁架機(jī)械手自動上下料，設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)非標(biāo)設(shè)計(jì)。主要非標(biāo)相關(guān)設(shè)計(jì)如下:

（1）自動頂門及開閉功能 采用高速氣缸，壓縮機(jī)床開閉占用整個工件加工節(jié)拍。

（2）主軸定向停功能 確保卡盤在所需狀態(tài)停止。

（3）主軸頂部氣吹與主軸卡盤沖屑功能 主要解決加工過程中切屑問題。

（4）主軸開閉確認(rèn)功能 保證與機(jī)械手抓取信息交互。

（5）卡盤端面氣檢功能 保證工件基準(zhǔn)與卡盤定位面有效著實(shí)。

3 生產(chǎn)線現(xiàn)場實(shí)施情況

此項(xiàng)目已在用戶現(xiàn)場實(shí)施，達(dá)到相應(yīng)設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場效果如圖10。

4 結(jié)語

此生產(chǎn)線是將立式加工中心、高速車床組合的半柔性加工自動線，采用了模塊化設(shè)計(jì)思路，每臺機(jī)床均配有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、獨(dú)立供油供水，每臺機(jī)床可以獨(dú)立完成加工內(nèi)容，同一單元內(nèi)的桁架機(jī)器人與機(jī)床采用分離式的控制，相互各不影響，即使機(jī)械手出現(xiàn)故障，機(jī)床也可以由人工繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，而且中轉(zhuǎn)的料道也設(shè)計(jì)成獨(dú)立控制的形式，這種模塊化的設(shè)計(jì)，也有利于設(shè)備的維護(hù)和檢修。正是因?yàn)檫@種模塊化的設(shè)計(jì)，所有設(shè)備可以隨時轉(zhuǎn)入半自動或全手動的運(yùn)轉(zhuǎn)模式。