機加工產品的全自動加工設備

陳 韜

（上海宏金設備工程有限公司，上海 201599）

機加工是指通過機械設備對工件的性能、形狀或尺寸進行加工的過程。本文所述的機加工產品是把原材料通過數控機床進行切削加工生產的產品。目前，此產品常規的加工工藝為原材料下料、加工工件內孔、加工工件內定位槽、加工工件外圓、加工工件外螺紋以及切斷。

本文所研究的自動化設備將數控車床、送料機、機械手以及排屑機4臺機床組合為一套設備。整套設備通過PLC伺服系統控制，只需一鍵啟動，就可完成整個產品的加工和擺放，能夠自動收集廢屑。全套設備操作簡單，自動化程度非常高，降低了人工成本，提高了經濟效益。

1 產品詳細信息介紹

本文所述的機加工產品（圖1）需要加工的工藝較復雜，包括產品外圓加工、外螺紋加工、內孔加工、內臺階孔加工以及內定位槽加工等。加工要求按照GB/T 1800.1—2009 IT12類精度尺寸公差進行處理，表面粗糙度要求為3.2 μm。所有加工表面均不允許出現毛刺。

圖1 產品圖

2 產品的傳統加工工藝

產品的傳統加工工藝包括六角棒料下料、粗加工外圓、加工內孔、加工內臺階孔、加工內定位槽、精加工外圓、加工螺紋以及割斷。8道工序中，六角棒料下料用帶鋸床完成，其余工序采用普通車床或數控車床均可加工。各道工序通過更換不同的刀具完成工件的加工。主要刀具為外圓刀、鉆頭、內孔臺階刀、銑刀、螺紋刀以及割刀。棒料下料采用帶鋸床進行加工，批量下料。粗加工外圓由一臺車床完成加工。工件內孔、內臺階孔以及內定位槽由一臺車床完成加工，中間由操作者更換刀具，完成3道工序間的切換。精加工外圓、螺紋以及割斷由一臺車床完成加工，中間由操作者更換刀具，完成3道工序間的切換。整套工序需4臺機床和4名操作工完成，加工的廢屑需手工清理，全為手工作業，無自動化作業工序，加工效率較低[1]。

3 自動化設備的組成介紹

所涉及的自動化加工設備由自動送料機、數控車床、機械手以及排屑機組成，如圖2所示。成套設備動作順序由PLC伺服系統控制。

圖2 自動化加工設備

3.1 自動送料機

自動棒料送料機是自動為可循環加工設備輸送材料的機器。輸送的材料有多種，如圓棒料、空心棒料以及六角棒料等。本文所述的棒料為六角棒料。此送料機也稱為油浴送料機，主要工作原理是以恒定的動力為料管送油，推動推桿將六角棒料送入機床主軸，通過更換不同型號的料夾來輸送不同規格的棒料。

3.2 數控車床

數控車床是目前最常用的加工機床，主要用于加工軸零件。這些零件會根據預先準備的加工程序自動進行加工。目前，最常用的數控加工機是C6132數控車床。如圖3所示，本工件加工所使用的刀具為“一”字型設計，固定在一個刀架上。刀具都編有相應的刀具號。加工時程序按順序調用相應的刀具。刀具中擋板用以定位六角棒。其中，用銑刀加工內定位槽時，機床主軸停止，銑刀通過動力頭轉動進行加工。程序之間通過切換來保證定位槽的加工。其余刀具按加工工藝順序進行加工。

圖3 刀架設計圖

3.3 機械手

機械手是一種能模擬人手臂的動作，用以按程序抓取和擺放工件的自動操作設備。本文所述的機械手（圖4）由直線模組、滑臺氣缸、平行夾、取料爪、伸縮氣缸以及旋轉氣缸等組成，由PLC控制系統控制動作順序。完成加工零件后，機械手進入機床內取出零件并放在零件的放置框中[2]。

圖4 機械手設計圖

3.4 排屑機

排屑機主要用于傳輸各種廢屑，廣泛應用于各類機床。它將廢屑傳輸到排屑車上，將過濾箱安裝在排屑小車中間，以分離和回收所有冷卻液。本套自動加工設備應用此類型機床，實現了自動收集廢屑和冷卻油。

3.5 PLC伺服控制系統

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種電子計算機操作系統，專為在工業環境中使用而設計。它使用可編程內存，在內部存儲和執行操作（如運算）指令，并通過模擬或數字輸入和輸出控制不同類型的生產操作或設備。

4 自動化設備的工作過程與技術難點

4.1 原材料準備、上料

操作員將六角棒料放到自動送料機上，通過操作自動送料機上的開關，將棒料送入數控機床的夾頭內，以備開機加工。此道工序的主要問題在于送料機和數控車床夾頭同軸度的調試。調試時將車床的夾頭拆下來，通過試棒調整送料機的料爪和車床的主軸在一條線上，再將夾頭套上試棒后安裝于主軸上夾緊試棒。試車試棒的頭部，檢查試棒的同軸度尺寸，不斷調試達到車床的精度要求。

4.2 工件的加工過程

操作員通過啟動數控車床的啟動按鈕，操作設備開始運轉。六角棒伸出，接觸到刀架上的擋板后停止伸出，此時車床夾頭夾住六角棒，伸出的工件長度相等，主軸開始運轉。刀架由程序控制開始移動，外圓刀與棒料接觸進行工件外圓的粗加工。加工時根據程序設置的切削量和加工次數分3刀加工外圓。加工完工件的外圓，刀架移動，將鉆頭移動到主軸中心位置，加工工件的內孔，一次加工到位。加工完內孔，刀架移動，臺階刀移動到主軸中心位置，加工工件的內臺階孔。內臺階孔刀根據工件內孔的形狀進行定制，并在加工時一次完成工件內臺階孔的加工。

臺階孔加工完后需加工工件內定位槽。由于內定位槽只在工件內側一個方向上，因此此時主軸轉動無法完成定位槽加工。常規工藝在此處會遇到瓶頸，多由二次加工完成。二次裝夾加工無法保證工件的尺寸精度，還會提高生產成本。本套自動設備通過反向設計，內定位槽加工時車床主軸停止轉動，銑刀加工刀具轉動來完成。通過動力頭和電動機來提供刀具的轉動動力。設計刀架時，需考慮動力頭和電機的安裝方式（圖5），在刀架的右側通過4顆螺絲將動力頭固定于刀架上，同時在動力頭上方安裝三相異步電機（220 V、5 kW）。動力頭與電機通過皮帶連接，銑刀安裝于動力頭頭部。加工時通過刀架移動，將銑刀移動到主軸中心位置，此時車床主軸鎖死，銑刀轉動，加工內定位槽，一次切削完成。

內定位槽加工完后精加工工件外圓，此時主軸恢復轉動，刀架移動將外圓刀移動到加工面處，完成工件外圓的精加工。工件外圓加工完后需加工工件螺紋。刀架移動將螺紋刀移動到螺紋加工處，根據程序設置的切削量，三刀切削完工件螺紋。刀架繼續移動，割刀按程序移到到切割面處將工件割斷，至此道工序工件完成加工。加工過程中需對加工面處噴冷卻油，進行冷卻和潤滑。

4.3 工件的抓取和擺放

本套自動加工設備采用機械手對工件進行抓取和擺放。傳統的工藝一般對加工完的工件進行取料后無法按矩陣自動擺放。本套設備通過兩套機械手組合動作來實現工件的自動取料和擺放，如圖6所示。機械手1和工件放置框由直線模組來控制移動動作，機械手2由滑臺氣缸來控制移動動作。當上道工序進行割斷作業時，機械手1通過直線模組帶動進入機床內。機械手1進入機床后，其前端的取料針在伸縮氣缸的控制下插入到工件的內孔中，工件割斷掉落時正好落在取料針上，此時工件和機械手1跟隨絲桿往外運動退出機床，直線模組停止運動，伸縮氣缸后邊的旋轉氣缸按90°進行旋轉，將先前水平方向放置的工件旋轉為垂直方向放置。隨后，機械手2的滑臺氣缸往下運動到達垂直放置的工件，其前端的取料抓在平行夾的帶動下夾緊工件，此時機械手1的伸縮氣缸收回取料針，脫離工件并回到原始位置。在夾緊工件后，機械手2繼續向下運動至工件放置框內后，平行夾松開，工件自動進入放置框內，機械手2退回到原始位置。工件放置框按16×16的矩陣進行運動，可保證每個工件放入到指定位置，實現自動擺放。

圖5 動力頭安裝設計圖

圖6 機械手1和機械手2的配合動作圖

4.4 廢屑的收集

加工過程中產生的廢屑均由數控車床直接進入排屑機內。本套自動加工設備在排屑機上搭載時間控制系統，用時間繼電器控制機器的啟停，節省設備的能耗，定時啟動排屑機將廢屑由鉸鏈傳送到設備外的排屑小車內，并在小車內完成油屑分離，自動收集廢屑和冷卻油。

4.5 控制系統

此套全自動加工設備由2套PLC系統控制、1套數控車床和1套機械手組成。2套系統程序自動對接，所有命令的發布均由控制系統控制。每個程序及其邏輯性是保證工件自動化加工的關鍵，是整套全自動加工設備的大腦，在自動化設備中具有重要作用。

5 效益對比

5.1 傳統設備

流水作業中，4名操作工協調完成一件產品，1名操作工同時操作2臺設備，總設備為8臺（2組）。1組設備日產量1 000件，總日產量2 000件。

5.2 全自動加工設備

統一按4名操作工計算，1名操作工可以同時操作6臺設備，總設備為24臺。每臺設備日產量為450件，總日產量10 800件。

5.3 效益對比

由圖7可知，相同操作工的情況下，全自動加工設備日產量是傳統設備的5倍。在投入全自動加工設備后，企業節省了10名操作工的編制，減少了管理成本，大幅提升了生產效率和產品質量。

圖7 相同操作工的日產量對比

6 結語

本套機加工產品的全自動加工設備的開發，解決了傳統制造業人工成本越來越高的問題。全套設備自動化程度較高，整個操作過程只需一鍵啟動，就可以完成整個工件的加工，能夠滿足生產效率和產品質量的要求。在機加工產品的加工范疇內，本套全自動加工設備具有非常高的推廣性，可廣泛運用于各機加工生產企業和自動化領域。