桌腿加工設備自動化改造的研究與應用

李大偉

（1.遼寧裝備制造職業技術學院，遼寧沈陽 110161；2.遼寧廣播電視大學，遼寧沈陽 110034）

0 引言

隨著自動化技術的發展，自動化技術在生產制造領域的應用越來越廣泛，一方面體現在新設備的研發，另一方面體現在對舊設備的自動化升級與改造。多數企業會考慮將原有設備進行自動化的升級改造。這樣，既可以提高生產設備的產品質量和生產效率、降低生產工人的勞動強度、節約企業勞動力資源；又能提高企業的利潤和競爭力，同時也促進企業自身的進步和發展[1-2]。

1 改造前桌腿加工設備概況

改造前的設備是某一規格桌腿材料的專用生產設備。工作過程中，首先由上料液壓缸將待加工原料（方形木料）推到刀具下方，并通過頂針液壓缸將其固定。在加工過程中，頂針機構帶動方形木料高速旋轉，桌腿切割機設計為固定形狀的專用刀具，切割機按一定速度下降，將原料加工成桌腿成品。雖然桌腿生產專機設備滿足了生產的需求，但生產過程中存在以下問題：

（1）設備缺少成品接收裝置，成品落到地上，地上的木屑會粘到桌腿上，需要工人將木屑處理并搬運到成品存儲區。

（2）桌腿刀具切割機加工精度低，加工后的桌腿存在毛刺，邊角地方不圓滑，需要二次打磨加工處理，工作量大。

2 設備改造計劃和方案

為了提高設備生產效率和產品質量、節約設備投資資金，采用在原有生產設備基礎上進行自動化的升級改造方案[3-4]。

2.1 改造方案

（1）改造后，桌腿生產線分為一次切割區、桌腿打磨區、成品區3 個區域。其生產線結構如圖1 所示。

（2）在原設備控制電路上取部分控制信號，作為與桌腿打磨設備的信號交互，實現聯機控制。

（3）設計專用桌腿打磨設備，完成桌腿打磨功能。打磨裝置設計為雙面對稱打磨功能，提高打磨質量；打磨機構設計為可方便拆卸的獨立裝置，打磨速度可調節。

圖1 桌腿生產線結構

（4）采用桁架機械手作為搬運單元，實現桌腿生產線3 個功能分區的搬運任務。桌腿切割設備單個成品用時60 s，而桌腿打磨單個成品用時90 s，設計2 套機械手裝置，1套用于物料上料，1 套用于成品下料。桁架機械手停留在桌腿打磨設備的正上方，使其以最快的速度完成物料切換任務。

2.2 設備自動化改造后的功能

（1）桌腿切割設備：采用原有切割設備，完成桌腿切割任務。

（2）桌腿打磨設備：對原設備切割完成的桌腿進行打磨、二次加工處理，形成合格產品。

（3）桁架機械手裝置：完成從桌腿切割設備到桌腿打磨設備，再到成品區卸料的往復搬運工作。

（4）產量計數功能：完成單日和每月產量計數功能。

3 設備自動化改造的結構設計

桌腿加工設備經過自動化改造后，增加了3 個功能單元，分別是桁架機械手、桌腿打磨設備、成品存放貨架。

桁架機械手由結構框架、運動軸、氣缸抓手及相關附件構成。運動軸為水平移動軸，實現工件的軌跡運動功能，包括原點起始位、上料位、加工位、下料位、成品放料位；氣缸抓手由伸縮氣缸和夾緊氣缸構成，用于完成物料的抓取和放置任務[5-7]。

桌腿打磨設備主要由旋轉主軸、頂針氣缸、打磨裝置、砂紙滾輪、機架等構成。旋轉主軸用于在桌腿打磨過程中快速旋轉物料，使其打磨均勻；頂針氣缸用于固定桌腿物料；打磨裝置用于帶動砂紙滾輪沿著桌腿形狀對桌腿做打磨軌跡運動。

4 控制系統硬件設計

4.1 桌腿打磨控制系統硬件設計

桌腿打磨控制系統硬件結構如圖2 所示。由于桌腿形狀是不規則的，對其進行打磨加工，需要準確定位，而且打磨裝置是需要移動的，其移動軌跡是弧形、非線性的。根據工藝需求，設計兩套桌腿打磨裝置，對稱放置，每套裝置由3 個伺服運動軸構成，分別執行水平移動、前后移動和升降移動軌跡，總計需要控制6 個伺服運動軸。采用數控系統實現，圓弧插補等功能。采用雷賽科技的SMC600 運動控制器，其含有7 路運動控制軸，并帶有24 路開關量信號輸入、16 路開關量信號輸出。其可以控制7路伺服運動軸；同時其開關量輸出信號可以作為主軸旋轉電機、頂針氣缸和機械手的交互信號等控制信號；輸入信號可接入傳感器信號、開關指令信號等。

4.2 切割機聯機控制硬件設計

為實現系統的完整性和連貫性，桌腿生產過程中，桌腿切割機、桌腿打磨設備與桁架機械手之間要有一定的信號交互。切割機的信號交互電路如圖3 所示。其信號功能如下：

（1）桌腿切割完成后，桌腿切割機應保持停止狀態，同時給控制器發出取料命令，等待機械手取料。見圖3 中的信號1。

（2）機械手到取料位后，將桌腿物料夾緊，然后PLC 控制器給桌腿切割機發取料到位信號，讓切割機的頂針退回，見圖3 中的信號2。

（3）桌腿切割機頂針退回到位后，給控制器發出機械手離開命令，桌腿切割機再次保持停止狀態。該信號取桌腿切割機頂針退回到位信號，見圖3 中的信號3。

圖2 桌腿打磨控制系統硬件結構

圖3 切割機信號交互電路

（4）機械手離開后，到達安全位置，給桌腿切割機發取料完成命令，見圖3 中的信號4?；謴晚斸樛嘶氐轿恍盘枺懈顧C可以繼續正常工作。

5 控制系統軟件設計

5.1 取料工藝程序

取料工藝流程如圖4 所示。切割機切料完成后，給控制器發出取料信號，機械手到取料工位取料，到位后，機械手夾緊，然后給切割機發松開命令，切割機松開到位后，給控制器發機械手離開允許信號，機械手帶著桌腿原料離開，到安全位置等待，并給切割機發完成信號，取料過程結束[8-9]。

5.2 桁架機械手控制程序

桁架機械手控制流程如圖5 所示。系統上電后，按下復位按鈕，機械手先回原點，找到坐標基準點，然后機械手到安全位置等待。當收到取料信號后，上料機械手到取料位置取料，取料完成后，到安全位置（打磨設備上方）等待。當打磨設備處于空閑狀態時，上料機械手伸出，將物料放到桌腿打磨設備上，打磨設備上的頂針氣缸將物料固定，上料機械手松開，機械手返回，上料過程結束；若打磨設備上有加工工件，則等待其加工完成后，下料機械手伸出，先將加工完成物料取出，再將上料機械手伸出，將物料放到打磨設備上，執行上料工藝；上料完成后，將下料機械手移動至物料成品區，到達后，下料機械手伸出，松開機械手，將物料放到成品區，并返回，機械手返回安全位置等待，下料過程結束。

圖4 取料工藝流程

圖5 桁架機械手控制程序流程

6 結束語

桌腿加工設備經過自動化的升級改造后，已在企業得到實際應用，使用效果較好。其主要體現在：設備改造后，利用自動化手段對桌腿二次打磨加工，改善了產品質量；勞動用工方面，原有設備生產需要3 個人參與工作任務，現在只需要1 個人；原有的單機設備轉變為先進的生產線，提高了產品生產率，為企業提高了經濟效益。