經濟型數控車床自動上下料系統設計

劉占娟,張艷冬

(遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州　121001)

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經濟型數控車床自動上下料系統設計

劉占娟,張艷冬

(遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州121001)

摘要：針對批量加工減震器活塞桿的經濟型數控車床人工上下料問題，提出了采用自動上下料裝置進行自動化上下料的方案。應用SolidWorks軟件對自動上下料裝置進行了機械結構設計。通過對上下料裝置工作過程及數控加工程序的分析，設計了與機床運行相匹配的自動上下料電氣控制系統。自動上下料系統取代了傳統的手工操作，提高了生產過程的自動化程度。該自動上下料系統的機械結構比常見的送料機械手簡單，降低了生產成本。

關鍵詞：上下料系統；數控車床；機械結構；電氣控制

0引言

減震器活塞桿是汽車減震器中重要部件，且是汽車使用過程中的易損配件，因而市場需求量大，需要大批量生產。為滿足生產需求，某企業引進了一批經濟型數控車床用于減震器活塞桿的生產。該企業每天要求加工3000~4000件活塞桿，目前采用人工方式裝卸工件，工人勞動強度極大，存在較大的安全隱患，且生產效率低，產品的質量難以保證。因此，為了提高競爭力，企業迫切要求實現活塞桿上下料的自動化，將勞動者從機械重復的簡單勞動中解放出來，實現自動化生產，提高生產效率。隨著國民經濟和科學技術的不斷發展，實現數控車床的自動化加工也是我國現階發展和國情的需要[1]。目前，國內已有數控車床自動送料裝置的研究，但相對較少，如文獻[2]設計了一種數控車床自動送料裝置，實現了數控車床的自動上料，但只能為一種直徑的棒料送料，且占地面積較大；文獻[3]研究了一款數控車削自動送料裝置，實現了數控車床的自動化加工，但只能輸送一種長度的細長軸。針對數控車床單一的自動送料裝置研究現狀及其存在的問題，本文以SolidWorks軟件[4]為開發平臺，設計了一種新型數控車床自動上下料裝置，能夠實現不同直徑和長度的棒料的自動供料，并設計了與機床運行相匹配的自動上下料電氣控制系統。

1工件的結構特點

待加工工件為減震器活塞桿，數控車床對該類工件進行端面精車。工件結構示意圖如圖1所示。其尺寸范圍為，直徑a：φ12.4～φ20(mm)，長度b：234～477(mm)，直徑d：φ10～φ15(mm)，長度c：10～20(mm)，屬細長軸類工件。

圖1　減震器活塞桿工件示意圖

2上下料裝置總體結構及工作過程

2.1自動上料裝置總體結構

自動上料裝置總體結構[5-7]如圖2所示，自動上料裝置是利用氣壓缸活塞桿的伸縮運動帶動工件在整個上料裝置中移動，從而把工件送入車床主軸內。

圖2　自動上料裝置總體結構圖

該裝置底座支架上安裝分料氣缸、分料槽、料斗支架和送料氣缸支架，料斗支架上安裝料斗、導料槽和輔助落料裝置，送料氣缸通過送料氣缸支架固定在底座支架上，送料氣缸通過螺紋與上料氣缸支架連接，上料氣缸支架上安裝上料氣缸、料筒和定位螺栓。其中分料槽和導料槽槽寬設計可調，以實現不同軸徑工件的上料；料斗間距可調，可實現不同長度工件的上料；定位螺栓伸出量可調，從而保證料筒與分料槽內工件同軸。

1.螺母 2.螺桿 3.軸承 4.T型桿 5.氣缸 6.氣缸支架 7.支撐架

輔助落料裝置能為堆積在料斗里的工件順利進入導料槽提供輔助作用，如圖3所示。氣缸支架通過螺栓與支撐架連接，氣缸支架對氣缸起支撐固定作用。T型桿安裝在氣缸支架與支撐架構成的方孔內，小氣缸活塞桿的一端頂住T型桿，T型桿隨著活塞桿的上下移動而移動。T型桿與螺桿通過螺紋連接，螺桿上裝有軸承，軸承通過螺母固定在螺桿兩端。氣缸推動T型推桿上升，料斗中堆積的工件被抬高，軸承轉動將工件送入導料槽。

2.2自動上下料裝置工作過程

如圖4所示，自動上下料裝置安裝在數控車床主軸箱箱體上，安裝時保證上料氣缸下移至車床主軸中心時料筒軸線與車床主軸軸線重合。當加工某一批次工件時，根據工件長度，調節料斗間距和定位棒在主軸內的位置。根據工件直徑，調節導料槽和分料槽的寬度，一般分料槽寬要比工件直徑大0.5mm左右，才能保證工件在分料槽內順利移動，同時調節定位螺栓的伸出量，保證送料氣缸活塞桿縮回后，料筒與分料槽內工件同軸。當工件直徑發生變化時，料筒內加入相應襯套，確保工件軸線在料筒內的位置不發生變化。

圖4　自動上下料裝置工作過程示意圖

上下料協調工作過程：上下料裝置在工作前，工人將料斗內裝滿工件。工作時，工件在輔助落料裝置的作用 下落入分料槽。分料氣缸將工件送入料筒后，送料氣缸動作，將工件移至車床主軸，最后上料氣缸動作，將工件送入車床主軸內，并經定位棒定位，同時將出料器中的彈簧拉伸。彈簧夾頭夾緊工件，數控車床根據編好的程序對工件進行加工。加工結束后，彈簧夾頭松開，工件被出料器彈出，一次加工結束。

3自動上下料裝置控制系統設計

3.1氣動控制回路的設計

該裝置中的氣缸全部為內置磁環氣缸，內置磁環的作用是配合外面的磁性開關工作，及時感應活塞的位置。氣動設計原理[8]如圖5所示。其中磁感應開關安裝位置的選擇與控制系統的設計有關。送料氣缸推出后需要保持推出狀態不能立即復位，所以選用雙電控三位五通電磁閥控制，其他的都是由單電控二位五通電磁閥控制。

A.分料氣缸 B.送料氣缸 C.上料氣缸 D.輔助落料氣缸

3.2自動上下料裝置電氣控制回路設計

自動上下料裝置電氣控制的設計即多氣缸順序動作電氣控制回路的設計，該設計需要考慮自動上下料裝置中氣缸動作與工件加工的數控程序相協調，因此完整的控制包含兩部分：電氣控制[9]和數控程序輔助M控制[10]。

其中部分氣缸動作由外接電氣控制回路實現，該電氣控制回路的設計需要實現兩個功能，一是上料功能，當工件加工完成后，控制電路接收信號，自動送料氣缸將會按照工作流程動作。二是報警功能，當工件沒有順利進入車床主軸內或自動送料裝置內沒有工件時，該控制回路會提示報警，如圖6所示。

圖6　自動上下料電氣控制原理圖

按下啟動按鈕SB1，輔助繼電器KA0得電，并自鎖，電路接通，中間繼電器KA1得電，KA1常開閉合，電磁閥YA得電，分料氣缸前進分離工件，當分料氣缸運動到磁感應開關SQ1時，SQ1常閉斷開，KA1失電，分料氣缸退回，同時SQ1常開閉合，KA2得電，自鎖，電磁閥YB0得電，送料氣缸下移送料，當送料氣缸運動到磁感應開關SQ4時，SQ4常閉斷開，KA2、YB0失電，SQ4常開閉合，KA3得電，KA3常開閉合，電磁閥YC得電，上料氣缸動作，將工件送入車床主軸內，并通過定位棒定位，同時出料器被工件頂出，彈簧被拉伸。安裝在出料器前方的光電開關SQ6感應，SQ6常開閉合，KA6得電，該信號通過導線傳遞給數控車床的控制系統，彈簧夾頭在該信號的作用下夾緊，將控制彈簧夾頭的繼電器KA9的一個常閉觸點延出，當程序運行到M10指令時，KA9常閉斷開，KA3失電，電磁閥YC斷電，上料氣缸退回。當氣缸運動到磁感應開關SQ5時，KA4得電，電磁閥YB1得電，送料氣缸上移，當送料氣缸運動到磁感應開關SQ3時，SQ3常閉斷開，KA4失電，電磁閥YB1斷電。數控車床開始對工件加工，加工完畢后，彈簧夾頭松開，工件在出料器的作用下彈出，出料器在彈簧的作用下恢復原位，光電開關SQ6失去感應，斷開的SQ6再次閉合，由于各氣缸均處在初始狀態，所以常閉SQ1閉合，常開SQ3和SQ5閉合，KA1再次得電，自動上下料裝置開始進行下一輪的送料工作。

輔助落料氣缸的動作是通過中間繼電器KA5和時間繼電器KT0實現。當KA1得電后，中間繼電器KA5得電并自鎖，KA5常開閉合，電磁閥YD得電，輔助落料氣缸上移，當氣缸運動到磁感應開關SQ2，時間繼電器KT0得電，開始計時，計時時間要大于分料氣缸的循環時間，以保證落料的順利進行。當KT0時間到，KT0常閉延時斷開，KA5線圈失電，電磁閥YD失電，氣缸退回。

送料氣缸動作后，報警系統也開始工作。KA1得電后，中間繼電器KA7得電并自鎖，同時時間繼電器KT1得電，開始計時，計時時間為完成一次送料的時間。當KT1時間到，KT1常開延時斷合，車床主軸內若無工件送入，SQ6常閉保持閉合，KA8線圈失電并自鎖，KA8常開閉合，報警器開始報警。

與自動送料電氣控制相適應的數控加工程序如表1所示。

表1　數控加工程序

數控程序輔助M控制是實現機床運行與自動上下料電氣控制協調工作的關鍵。通過增加數控程序中的M10指令，實現繼電器KA9對自動送料電氣回路的控制。彈簧夾頭夾緊工件后，數控加工并沒有立刻進行，而是延時，待送料氣缸退回后才開始加工工件。加工完畢，程序運行到M11指令，常閉SQ6失電閉合，中間繼電器KA1重新得電，送料工作再次開始，由此將自動上下料驅動指令與數控車床整體運行加工相融合。

4結束語

為大批量生產減震器活塞桿的經濟型數控車床設計了一個氣動自動上下料裝置，并通過對數控加工過程進行分析研究，設計了與機床加工程序相適應的電氣控制回路和數控輔助控制。該裝置提高了生產過程中的自動化程度，提高了產品的一致性，且一人可同時照看2臺車床，大幅度提高了生產效率，降低了工人勞動強度，減少企業人工成本支出。而且由于上下料裝置的動力源為壓縮空氣，因此維護保養容易，無污染。通過對自動上下料裝置調節，可以實現不同規格工件的加工，使用范圍廣泛。本設計已在某汽車零部件有限公司投入使用。

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(編輯李秀敏)

Design of an Automatic Loading and Unloading System for Economical Numerical Control Lathe

LIU Zhan-juan , ZHANG Yan-dong

(School of Mechanical Engineering and Automation,Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001,China)

Abstract：According to artificial loading and unloading problems of an economical numerical control lathe which products lots of damper compression rod, put forward an automatic up-down project that adopts automatic up-down device. The mechanical structure for automatic up-down device is designed by SolidWorks software. Through the analysis of loading and unloading device working process and NC machining program, an electrical control system that is suitable for the machine running program is designed. The automatic loading and unloading system replaces the traditional manual operation and improves the automation of production process.The automatic loading and unloading system’s mechanical structure which is simpler than common feeding manipulator reduces the production cost.

Key words：loading and unloading system; numerical control lathe; mechanical structure; electrical control

中圖分類號：TH122; TP273

文獻標識碼：A

作者簡介：劉占娟(1989—)，女，河北唐山人，遼寧工業大學碩士研究生，研究方向為機械CAD/CAE/CAM，(E-mail)zhanjuanliu@163.com。

收稿日期：2015-05-06

文章編號：1001-2265(2016)03-0101-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.028