刀剪磨削微自動生產線的設計

□ 陳銀清 □ 陳 宇 □ 鄭澤鈿 □ 李 凱

1.廣東石油化工學院 廣東茂名 525000

2.廣東省茂名市高級技工學校 廣東茂名 525000

1 設計背景

刀剪行業歷史悠久，我國有很多知名的刀剪傳統品牌。20世紀90年代初，刀剪行業由手工生產發展為半機械化生產，產品單調，且主要為小規模制作。20世紀90年代末期，刀剪產品出現了多樣化，民營企業開始增多。2001年，國家放開了民營企業進出口經營權，刀剪行業迎來新的發展契機，由內銷轉向出口市場。2006年，全球金融危機給刀剪行業出口造成較大沖擊。2015年以來，隨著“一帶一路”的推進，刀剪行業迎來了更廣闊的市場，呈現出大規模生產的新局面［1-2］。

在刀剪行業大規模發展的背后，我國刀剪生產仍然存在不少問題，包括自動化程度低、勞動強度大、生產環境差、出口量低等。此外，刀剪質量與歐美、日本等地產品相比差距明顯。

廣東陽江五金刀剪年產量約占全國的70%，出口量約占全國的85%，是名副其實的刀剪之鄉，但是目前的生產加工主要以手工上下料及單工序單臺設備為主，不能適應時代的發展。

筆者以生產10寸不銹鋼刀為例，設計了刀剪磨削微自動生產線及相配套工裝與上下料裝置［3-5］，可以有效提高刀剪的磨削效率。

2 刀剪磨削工藝分析

筆者以大批量磨削10寸不銹鋼刀為例，分析傳統刀剪磨削工藝。

10寸不銹鋼刀外形如圖1所示。

▲圖1 10寸不銹鋼刀外形圖

10寸不銹鋼刀傳統加工工藝流程見表1。

表1 10寸不銹鋼刀加工工藝流程

刀剪傳統加工工藝的缺點是自動化程度低、加工效率低，因此不適應當今時代的發展。筆者針對不銹鋼刀外形的工藝特點，設計刀剪磨削微自動生產線總體布局。

針對粗、精磨刃口斜面及基準面工序，傳統雙工位數控雙頭刀剪專用磨床磨削基準面的方法是一次裝夾先后完成粗、精磨削，但上下料及安裝均依靠手工操作完成，加工效率相對低［6］。筆者設計的磨削基準面工藝流程如圖2所示。

▲圖2 磨削基準面工藝流程

3 微自動生產線設計

3.1 總體布局

刀剪磨削微自動生產線總體布局如圖3所示，由旋轉輸送軌道及動力裝置、自動上下料裝置、刀剪專用數控磨床、清洗機、控制柜和控制面板等組成。在微自動生產線中，采用旋轉輸送軌道，空間布局緊湊合理；采用多組隨動夾具，保證生產線間歇移動時能緊密連接。生產線各機床空間布局按加工要求合理排列，單元調配利用率高。各個機床既可單獨工作，又可通過控制系統進行協同運作，實現智能化、自動化、高效率、高精度、低功耗的現代化批量生產［7］。

根據各機床的加工時間，合理設置運行速度。旋轉輸送軌道在啟動后保持平穩循環運動，且在刀剪專用數控磨床和自動上下料裝置前設有卡位，使裝有工件的夾具進入，進行上下料。

兩臺刀剪專用數控磨床和自動上下料裝置設有實時監測傳感器，可查看當前各機床的工作狀況，并反饋至控制系統。

3.2 主要創新點

筆者所設計的刀剪磨削微自動生產線主要創新點如下：

（1）旋轉軌道輸送，閉環自動生產，工序連貫性好；

（2）自動上下料裝置由機械手上下料，自動化程度高，勞動強度低；

（3）采用電磁吸板底座，裝夾方便、快捷；

（4）工序分散，粗磨、精磨獨立完成，裝夾簡單，精度易保證；

（5）全程傳感器實時監測，加工精度高；

（6）占地空間小，生產線的總面積約48 m2。

3.3 關鍵技術

設計中的關鍵技術包括：① 專用工裝夾具；② 帶機械手的自動上、下料裝置；③ 緊固裝置；④ 檢測傳感器及自動控制系統。

4 工裝與上下料裝置

工裝與上下料裝置既是獨立部件，又是和旋轉輸送軌道連接最緊密的關鍵部位，是整個生產線的始端，也是生產線的末端。

4.1 總體結構

工裝與上下料裝置的總體結構如圖4所示，主要由以下部件組成：起支承作用的基礎部件機床主體、將夾具固定在工作臺上的電磁吸板底座［8］、將夾具夾緊零件蓋板緊固或打開以便機械手緊固工件或取下工件的緊固裝置、支撐夾具及機械手的工作臺、將工件放置在夾具安裝面上或將夾具上的工件取下的兩個機械手。

4.2 工作流程

工裝與上下料裝置工作流程如下：

（1）加工完成的工件隨夾具進入自動上下料裝置內，到達工作臺上的電磁吸板底座卡位，停止移動；

（2）工作臺升起，電磁吸板底座上表面貼近夾具底面，通過其上表面的凸起柱體與夾具底面的開孔配合定位；

（3）電磁吸板底座上表面貼緊夾具下表面，電磁吸板通電，將夾具穩固在工作臺上；

（4）上一步完成后，緊固裝置的滑動板前端已與夾具的蓋板貼緊，滑動板前端的電動扳手將夾具蓋板上兩枚緊固螺栓旋松，滑動板往回移動，打開夾具蓋板，上料機械手在上料處夾取一件工件；

（5）下料機械手將夾具上的工件取下，上料機械手將夾取的工件放置在夾具安裝面上；

（6）下料機械手將取下的工件放置在下料處，緊固裝置將夾具蓋板推回夾具上方，擰緊緊固螺栓，將工件夾緊；

（7）電磁吸板斷電，工作臺下降到固定位置，夾具脫離電磁吸板底座并回到旋轉輸送軌道，沿旋轉輸送軌道繼續移動；

（8）工件加工完成后，沿軌道輸送到上下料裝置，重復第（1）至第（7）步。

▲圖3 刀剪磨削微自動生產線總體布局

5 專用工裝夾具

5.1 功能

專用工裝夾具在加工時用于快速緊固工件，使刀具、工件保持正確的相對位置，目的是對工件進行定位和夾緊［9-10］。

刀剪磨削微自動生產線專用工裝夾具的功能如下：

（1）裝、拆便捷，定位準確；

（2）簡單、輕便，適合機械手取放工件；

（3）能自動進入和脫離旋轉輸送軌道；

▲圖4 工裝與上下料裝置總體結構

（4）制造簡單，穩定性好，避免積屑和便于清理廢屑等。

5.2 總體結構

專用工裝夾具主要由夾具主體、蓋板、緊固螺栓、限制螺栓、定位銷套件、萬向輪［11］等組成，結構如圖5所示。

▲圖5 專用工裝夾具結構

夾具體上表面為帶間隔槽的斜面。該斜面的傾斜角度與刀體相對應，刀體安放后加工表面為水平面。設置間隔槽，方便機械手取放工件。蓋板、緊固螺栓為夾裝元件，定位銷套件為定位元件，萬向輪的作用是帶動整個專用工裝夾具移動。

5.3 定位方式

專用工裝夾具采用兩面一銷定位方式，底面、側面及銷孔定位，如圖6所示。

6 上下料裝置

上下料裝置將待加工工件送裝到機床上，并將已加工工件從機床上取下，是實現自動化生產的一個重要組成部分，更是自動化生產線的關鍵環節。

上下料裝置由通用微型機械手加裝專用手爪組成，包括上料機械手和下料機械手。前者負責將上料處的刀具抓取并放置在夾具安裝面上，后者負責將已加工完成的工件取下并放置在下料處。

▲圖6 專用工裝夾具定位

7 緊固裝置

7.1 結構

緊固裝置由滑動板、滑動腔、傳動齒輪、電動機等組成，功能是將夾具的蓋板緊固或打開，配合上下料機械手實現自動上下料，其結構如圖7所示。

▲圖7 緊固裝置結構

7.2 工作流程

緊固裝置工作流程如下。

（1）打開夾具蓋板。當工作臺［12］上升，夾具的蓋板貼緊滑動板前端配合面時，緊固裝置的電動扳手將緊固螺栓擰松至不干擾夾具蓋板移動的位置，電動機正向通電，帶動傳動齒輪使滑動板向滑動腔內移動，打開夾具蓋板，此時機械手取下已加工工件。

（2）緊固夾具蓋板。當待加工工件放置在夾具安裝面上時，電動機反向通電，帶動傳動齒輪與滑動板上的齒條嚙合。此時滑動板向滑動腔外移動，即滑動板推動夾具蓋板對齊螺栓開孔。電動扳手順時針旋轉，將兩枚緊固螺栓擰緊，工件緊固在夾具上。

8 結束語

筆者設計了刀剪磨削微自動生產線，能有效解決多品種、小批量刀剪加工時效率低、勞動強度高、質量不穩定等問題。

這一生產線可適用于不同結構的刀剪產品，在生產線運轉初期，小批量生產刀剪的成本可能會偏高，但是隨著生產線柔性技術與經驗的不斷發展、完善，以及多品種收益的提高，會降低多品種、小批量生產的成本。

這一生產線可以合理放置多個夾具在旋轉輸送軌道上，各機床同時工作，夾具井然有序地在旋轉輸送軌道上間歇移動，每臺機床都在進行加工，生產線不斷進行循環，實現高效自動化加工。為進一步提高生產效率，還可以設計一次可裝夾多件刀具的專用工裝夾具。