帶桁架系統自動化數控加工單元的應用研究

張春振 王玉石 孫鵬

摘 要：本論文以5項典型螺栓類零件作為研究對象，利用帶桁架系統自動化數控加工單元，實現零件加工過程中自動上料下料、掉頭、抽檢、銑六方等加工內容。提高零件加工數字化、信息化、少人化直至無人化管理，保證零件產品質量，提高了勞動生產率，將工人從繁重的體力勞動中解放出來，使零件制造技術達到一個嶄新的水平。

關鍵詞：桁架；數控加工單元；自動化

中圖分類號：TP271 文獻標志碼：A

1 項目簡介

1.1 桁架機器人簡介

桁架式機器人也叫作直角坐標機器人和龍門式機器人。工業應用中，桁架機器人是能夠實現自動控制的、可重復編程的、多功能的、多自由度的、適合不同任務的自動化設備。它能夠搬運物體、操作工具，以完成各種作業。

1.2 國內外現狀

智能制造技術已成為世界制造業發展的客觀趨勢，世界上主要工業發達國家正在大力推廣和應用。發展智能制造既符合我國制造業發展的內在要求，也是重塑我國制造業新優勢，實現轉型升級的必然選擇。智能制造不僅僅是單一的先進技術和設備的應用，而是新模式的轉變。高效靈活的生產模式、產業鏈有效協作與整合、新型生產服務型制造、協同開發和云制造，這些都是其很明顯的優勢。近年來，各國為提高產品質量、降低成本、縮短研制周期，制訂多項先進制造發展戰略與規劃，調整產業架構， 促進產業轉型，急需用智能制造提升能力和效率。此外，相關技術條件已逐漸成熟。信息技術和新的智能技術為智能制造提供了最重要的基礎。目前中國制造業正處于轉型升級的浪潮之中，正是機器人自動化的發展良機，08年經濟危機之后，現代化制造對員工素質要求越來越高，人工成本增長迅速，“招工難”日益嚴重，如何在生產中降低勞動強度， 實現智能自動化，提高生產效率，減少人員配置，縮小生產空間，降低社會成本，甚至于無人化智能加工，在機械加工行業勢在必行。

隨著制造業的用工成本上漲、技能人才緊缺、高危環保、高強度作業等問題的凸顯，對于工作效率的要求越來越高，企業如何運用低成本回收大利潤是每個生產廠家心目當中在意的事情。而通過這些年的實踐證明，數控車床桁架機械手參與生產制造已被廣泛認知和不斷使用，成為社會關注的焦點。在機器人和自動化工業生產領域中，桁架機器人即實現了制造過程的完全自動化，并采用了集成加工技術，適用于機床、生產線的上下料、工件翻轉、工件轉序等， 同時其高精度夾持定位工具系統為機器人自動化加工提供了標準接口。

1.3 問題描述

目前航空領域加工大量螺栓類零件，由于零件批量大，立項前采用普通數控車床加工，車床實際加工時間很短，工人頻繁執行：開安全門—裝夾—關安全門動作，勞動強度極高。桁架機械手普遍架設在機床的上方，軌跡單一，占地面積小，桁架機械手生產線工人可以實時監測加工過程，問題排除迅速，抽檢方便，人機協作較好。并且將車床安裝動力頭，實現車床具備銑削功能，兩臺數控車床+一臺桁架即可將零件由毛料狀態加工至淬火狀態。并且通過桁架機械手可以有效地改善了作業環境，提高零件加工數字化、信息化、少人化直至無人化管理，可靠的保證了產品質量，極大的提高了勞動生產率，將工人從繁重的體力勞動中解放出來，使現代制造技術達到一個嶄新的水平。

2 詳細科學技術內容

2.1 總體思路

（1）研究目的。本次技術改進以5項典型螺栓類零件作為研究對象，利用帶桁架系統自動化數控加工單元，實現零件加工過程中自動上料下料、掉頭、抽檢、銑六方等加工內容。提高零件加工數字化、信息化、少人化直至無人化管理，可靠的保證了產品質量，極大地提高了勞動生產率，將工人從繁重的體力勞動中解放出來，使零件制造技術達到一個嶄新的水平。

（2）研究內容。基于上述研究目的和目標，本技術改進內容主要包括3個部分，首先是梳理典型螺栓類零件工藝方案，改變原有工藝方案，針對桁架數控加工單元特點，確定螺栓類零件加工方案；其次針對工藝方案，確定毛料長度，設計毛料料盤，確定上下料方式；最后編制桁架程序及數控車床加工程序，完成零件加工工作：①梳理典型螺栓類零件工藝方案。選取5項典型螺栓類零件進行工藝優化研究，要求具有外形簡單且單機數量大的特點。梳理典型螺栓類零件工藝方案，改變原有工藝方案，針對桁架數控加工單元特點，確定螺栓類零件加工方案；②確定上下料方式。針對工藝方案，確定毛料長度，設計毛料料盤，確定上下料方式；③編制程序。調試桁架程序，采用示教對桁架進行調試，空運行桁架系統。編制數控車床運行程序，利用2號數控車床動力頭實現銑六方功能。進行程序試切加工。

2.2 技術方案

螺栓類零件單機數量較大，改進前采用普通數控車床加工，車床實際加工時間很短，工人頻繁執行：開安全門—裝夾—關安全門動作，勞動強度極高。通過桁架系統不僅能完成加工工件的自動上料下料、工件翻轉、工件轉序等工作，而且能滿足快速、大批量加工節拍。并且利用車床動力頭，實現車床具備銑削功能，兩臺數控車床+一臺桁架即可將零件由毛料狀態加工至淬火狀態。并且通過桁架機械手可以有效地改善了作業環境，提高零件加工數字化、信息化、少人化直至無人化管理，可靠的保證了產品質量，極大地提高了勞動生產率，將工人從繁重的體力勞動中解放出來，使現代制造技術達到一個嶄新的水平。

（1）梳理典型螺栓類零件工藝方案。針對桁架數控車裝夾零件簡單的特點，充分發揮桁架的優勢，改變原有的工藝方案，改進后螺栓類零件加工工藝安排如下：采用桁架機械手抓料，然后加工兩側零件后，切斷，并進行銑六方。將原有的5道工序合并為3道，提高了加工效率。

（2）確定上下料方式

以改進后的工藝方案為依托，針對桁架運行原理，按照機械手抓取毛料的運作方式，確定毛料料盤排布方式，確定毛料長度及上下料方式，與下料中心進行協調將5件一組成組下料改為兩件一組下料，通過這種改進，充分發揮了桁架的特點，保證了機械手抓料時穩定快速，同時節省了毛料夾頭量。

（3）編制數控程序

首先，針對工藝方案，分別編制兩臺數控車床的加工程序，并編制機床2的動力頭加工六方程序，然后分別對零件進行試切加工。

調試桁架程序，采用示教對桁架進行調試，空運行桁架系統。編制數控車床運行程序，利用2號數控車床動力頭實現銑六方功能。進行程序試切加工。

3 關鍵技術及創新點

3.1 桁架式機器人優勢

（1）多自由度運動，每個運動自由度之間的空間夾角為直角。（2）自動控制的，可重復編程，所有的運動均按程序運行。（3）一般由控制系統、驅動系統、機械系統、操作工具等組成。（4）靈活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。（5）高可靠性、高速度、高精度。（6）可用于惡劣的環境，可長期工作，便于操作維修。（7）各個機器人行走軸，均可采用滾輪導軌，具有可高速運行，安裝調試方便，適合長行程應用，可用于惡劣環境等。

3.2 桁架機械手裝夾與人工裝夾對比

（1）人工裝卸的弊端：①占用人力資源，生產和管理成本較高；②手工裝卸料存在安全隱患。③工人勞動強度大，生產效率不高。

（2）桁架機器人特點。桁架機器人其結構形式非常適合機床自動化裝卸料，應用潛力巨大，其特點有：①結構簡單緊湊，運行平穩；②具有高可靠性，高速度，高精度；③可工作在較為惡劣的工作環境；④性價比高，調試、操作簡單。

4 經濟效益及社會效益

可一人同時操作多臺機器同時運作，工作效率大大提高，桁架機器人重復定位精度高，保證了產品質量的穩定性。當今社會人口老齡化加劇，招工難，使用桁架機器人從真正意義上解決了企業的用工難問題。把工段工藝比較難的，勞動生產力強度大的用機器人代替，從真正意義上做到機器人換人的概念。

參考文獻

[1]孫志禮，冷興聚，魏嚴剛，等.機械設計[M].沈陽：東北大學出版社，2000：38.