自動化改造在紡機專件加工中的應用

劉建芬

（經緯智能紡織機械有限公司，山西 晉中 030601）

0 引言

目前，大多數制造企業的零件加工方式仍然采取單機流水線全人工操作方式，這種情況與企業早期設備未更新有關，也與某些零件的加工特殊性有關。全人工加工方式不僅加工效率低，而且人工成本較高，那么，如何在滿足零件加工的特殊要求及設備更新、提高自動化水平中找到性價比高的適用方案呢？筆者針對紡機專件設備自動化改造實際案例進行討論。

1 專件異形面加工弊端

以紡機專件中某關鍵零件為例，圖1為該零件在加工過程中有一定難度的異形面加工。該零件的使用性能要求其圓錐面與半徑為R 的球面一次加工成型，對基準的同心度要求不大于0．005 mm，表面粗糙度Ra 值為0．4μm。

圖1 異形面示意

傳統加工方式是在專用球頭磨床上設計工裝進行加工，但存在弊端：①勞動強度大，加工效率低；②磨削進給量靠進給螺絲控制，當進給螺絲制造精度不高或磨損時，嚴重影響零件下機質量；③進給速度受人工操作影響，其快慢直接影響到工件是否被磨削燒傷，但因個體差異，磨削速度難以統一，而磨削燒傷會造成該部位使用壽命降低，且因其檢測屬于破壞性檢驗，無法大批量檢驗，完全憑借操作者經驗觀察加工。

2 自動化改造方案

對加工設備自動化進行改造，就是要在解決問題的同時保證零件加工質量穩定，提高其整體優質率，減少用工［1］。為此，初期自動化改造設計時，根據實際情況結合整體構造方案提出了基于3大部件的自動化改造方案，包括傳動部件、進給部件與自動上下料部件，以及控制系統的開發。

主體思路是效仿手工加工球面的方式，將上下料系統、進給系統和旋轉系統進行自動化改造。上下料系統采用桁架機械手，通過雙機械手分別控制上料和下料，與進給系統聯動，實現到位加工，加工結束取料；進給系統借鑒原工裝進給方式，由原來的進刀螺絲手動進給方式改為伺服電機絲杠自動進給方式，進給量及進給速度可調；旋轉系統在原工裝基礎上加裝環形齒條齒輪組，同步輪與伺服電機相連，轉動角度及速度可調。該方案考慮到現用設備的使用實際，除增加自動上下料系統外，其他部件的改造均在專用工裝上進行，對設備精度要求不高，較容易實現。

3 自動化改造的實施

結合實際情況，對MMB1420型萬能磨床實施改造。

3．1 自動上下料系統的改造

自動上下料系統由自動喂料倉，傳動桁架，上下料爪及接料倉組成。送料流程：喂料倉階梯喂料裝置分離工件→送入上料工位識別工件狀態→上料機械手抓料進入加工工位→加工成型→加工完成后下料機械手取料、上料機械手上料→下料機械手將完成工件送入接料倉口→接料倉收料加工完成。

為提高上下料效率、減少等待時間，自動上下料系統采用雙機械手分別負責上料及下料動作，安裝在桁架上，由伺服電機控制滾珠絲杠實現橫向位移和上下位移，能準確定位且速度可調，可跟隨工件磨削位置調整上下料位置；氣爪采用SMC 牌氣爪，確保穩定夾持，安全使用；喂料倉則由氣缸動作分別實現上料及定位，利用傳感器識別上料狀態，避免因上料狀態錯誤導致的撞料等加工事故；接料倉采用氣動料道，配合下料機械手動作，卸料時料道進入機械手軌道接料，接料后撤出，以防撞擊、擴大機械手運行空間。整體上下料機構設有位移傳感器控制料的抓取和放置，并對傳動絲杠配置了自潤滑裝置，以減少磨損［2］。自動上下料系統改造實施后運行穩定，可靠。

3．2 旋轉成型系統的改造

為精確控制旋轉角度，旋轉成型系統的改造同樣采用伺服電機系統來實現周向運動。伺服電機通過同步齒輪帶與同步輪實現轉動，同步輪與齒輪同軸傳動，齒輪與齒條配合將運動轉換為扇形托板工裝的周向運動，如圖2所示。以扇形托板旋轉中心軸專用工裝環形軌道為支撐，確保運行穩定；旋轉中心軸及環形軌道均為精加工成型，保證了球面加工的成型精度；環形齒條和齒輪配合采用小模數設計，結合伺服電機與同步帶輪傳動，使圓錐面加工成型

圖2 旋轉成型系統的改造設計

角度更加精準，極大程度提高了工件完工后的一致性［3］。同時，也實現了旋轉動作角度與速度的可調可控性。

3．3 進給系統的改造

進給系統改造采用磨輪固定，工件在夾具帶動下進給實現磨削；進給絲杠安裝在扇形托板上，配置合理的潤滑結構，從而實現進給功能，如圖3所示。零件旋轉是依靠氣動壓輪機構來實現對零件的傳動，經試驗，選用同步帶進行傳動，可減少打滑、確保運轉穩定［4］。

圖3 進給系統改造

3．4 控制系統的開發

配套實施的控制系統采用PLC進行控制，降低了成本；單獨配置有電器柜，設有外置觸摸屏，可進行手動和自動操作，對不同的加工產品調用不同的加工程序即可；更換產品無需對控制部分進行調整，只需對料倉進行調整即可；配置有報警提示功能，有故障及時停機，防止出現誤操作。

3．5 改造方案的后期改進

加工設備改造完成后，環形導軌、齒條與配合齒輪、工裝旋轉中心軸損壞概率增加，導致工件球面成型不合格，且更換不方便，影響生產效率。經現場檢測發現，環形齒條與齒輪配合間隙變大是造成工件球面成型不合格的原因，而其原因除與制造、安裝精度有關外，還與改造后的設備結構有很大關系。改造安裝完成后進給伺服電機系統整體懸置于環形導軌外側，形成懸臂結構；同時，旋轉角度決定了中心軸的工作面，在高頻率的使用過程中，導致齒條工作部位局部磨損嚴重，而懸臂結構則加劇了這種磨損。

為此，筆者提出了改進方案：旋轉系統與自動上下料系統維持原有方式，但對進給系統進行了較大的改動。改進方案借用了原設備進給托板結構，將進給絲杠進行改造后，與伺服電機相連，實現進給托板自動進給控制，如圖4所示。原設備托板導軌具有很好地承重及耐磨性能，且改進后的設備結構減少了扇形托板的承重量，整體結構更加合理，降低了旋轉中心軸與環形導軌的磨損，以及維護維修頻率，提高了生產效率。

圖4 改進后的進給系統

改進后的進給系統摒棄了原磨輪固定、工件進給的方式，改為工件固定、磨輪進給的加工方式；利用高精度外圓磨原有砂輪進給構件并進行自動化改造，將原來的油壓進給系統改造為伺服電機進給系統。改造過程中整體改動加大，絲杠與伺服電機安裝需要在拆除液壓裝置后重新固定，并加裝潤滑機構，確保機構運轉穩定；改進后設備的重復定位精度得到很大提高，解決了原液壓控制油壓不穩造成定位精度不高的問題，使加工更加穩定、成型質量更加可控。改進后整體旋轉機構的運行更加平穩，平衡度更加可靠，磨損問題減少，托板導軌、旋轉心軸及齒輪齒條的磨損明顯降低，達到了預期的效果。

3．6 改造前后效果對比

設備改造完成后，整體成型加工質量得到有效控制，下機合格率達到99%以上；通過對整體加工精度的控制，圓錐面角度加工一致性明顯好于以往，單個指標Cp 值大于1．2；球面燒傷的比例明顯降低，后期配合磨輪選擇、工藝參數試驗等改進措施，可將整體成型面磨燒傷率控制為不大于5%；勞動力數量及勞動強度也明顯降低，通過對6臺設備的改造，用工由原來的12人減少到4人，且大大降低了勞動強度。

4 結語

設備自動化改造的成功實施，不僅解決了企業用工問題，也為異形面加工設備的改造提供了可靠的依據。專用設備自動化改造首次應用了自動上下料、自動加工系統，實現了一人多機操作，節省勞動力60%。此外，異形零件加工在很多方面都得采用專機加工，整體自動化加工設備購置費用較高，自主改造能夠有效降低費用，效果明顯。

紡機制造行業沿襲了以往大批量流水線加工方式，在目前人工費用高的情況下，如何做好自動化改造，打造智能制造的加工優勢，是擺在每個紡機企業面前的課題。通過設備自動化改造，及時總結經驗，為未來實施自動化提供有效依據。