基于機器人的汽車半軸鍛造自動化設計

張小光

摘要：工業自動化作為現代先進工業科學的核心技術，是工業現代化的物質基石和重要標志，采用工業機器人不僅能夠提高產品質量，更能提高生產效率。隨著我國汽車行業的快速發展，對汽車零部件的需求量日益增加。目前汽車半軸的鍛造過程中需要多人協調工作，而且勞動強度大，所以對汽車半軸加工過程的自動化改造大有益處。本設計在不改變油壓機現有布局位置的前提下，通過對上料工裝、耐高溫夾具、機器人的選擇、控制流程的開發，實現汽車半軸鍛造的自動化生產。降低工人的勞動強度、節省人力資源、提高生產效率。通過本設計為鍛造機的自動化改造提供參照方案，提升自動化生產水平。

關鍵詞：機器人;鍛造機;自動化改造;工業4.0;集成系統

0? 引言

隨著社會的發展，勞動力成本越來越高，制造行業不得不迎來全面的自動化改型變革，機器人也隨之加速進入制造行業[1]。使用機器人替代人工已在各個行業逐漸展開，尤其是在勞動環境差、勞動強度大、節拍快、制造精度高的行業[2-3]。汽車半軸制造主要包括加熱、鍛造兩個工序，本設計通過對加熱爐和鍛造機的控制程序進行改造，增加上料臺、機器人和下料臺等設備，實現自動化生產，節約人工成本，降低燙傷等風險。

1? 總體布局模型

總布局圖1中主要有油壓機、上料機構、加熱爐、夾鉗、機械手和傳輸架，通過上次對現場的尺寸測量和實際情況確定上述布局方案。通過對加熱爐的位置進行適當的調整，將機械手放在油壓機和加熱爐中間的適當位置，這樣不僅可以確保各個工序在機械手的運動范圍之內，而且減小機械手的運動行程，提高加工節拍[4]。

2? 機構簡介

2.1 上料機構

生產現場中，由于半軸棒料放在加熱爐左側的位置，半軸棒料較長，移動加熱爐之后，空間不足，棒料的擺放位置受到限制，所以上料機構的高度要高于加熱爐中棒料的水平高度，讓機械手從上方抓取棒料，然后放進加熱爐中。

上料機構中主要包括支架、滑臺、傳感器、電機和傳送帶等，利用電機帶動滑臺進行傳動。安裝一個傳感器，傳感器檢測機械手所要夾持的位置是否有棒料，如果有棒料會給機械手一個信號，可以夾持棒料。

2.2? 夾鉗

在本項目因為油壓機放棒料的位置較深、棒料較重，油壓機深處達到440mm，而且放料口較窄，開口的大小為200mm，所以使用的夾具必須細長，才能滿足機械手能把棒料夾住并放進油壓機中。

加工的棒料最重為m棒=40kg，機器人運動過程中的最大加速度為a=0.5g，通過資料查的鋼與鋼的滑動摩擦系數為u=0.15，經過計算得出最小夾持力為3920N。

本項目采用兩個夾具，安裝在同一鋼板上，單個夾鉗最大夾持力為220kg，兩個夾鉗的最大夾持力為4312N，大于最重棒料所需要的夾持力。

2.3 傳輸架

本項目所設計的傳輸架總長度為2500mm，寬度300mm，采用伺服電機控制，同步帶寬度50mm，輸送能力50KG，定位精度0.1mm。

3? 控制過程

3.1 控制流程

汽車半軸的自動化設備主要體現在自動上料、機械手夾取棒料、給加熱爐送料、把加熱好的棒料放入油壓機中、取出油壓機中的棒料、輸送到下一工序。具體的機械臂的運動過程及加工工序的流程圖如圖5所示。

3.2 所用傳感器

①上料機構：主要是控制升降氣缸和檢測上料機構末端是否有棒料放入，傳遞給機械手一個信號[5]。②加熱爐：檢測加熱孔是否有棒料，控制機械手放棒的位置，確保不損壞加熱爐。③油壓機液壓夾緊裝置：主要是檢測棒料是否被夾緊，加緊之后傳遞給機械手繼續下一個運動的信號。④油壓機升降柱：升降柱抬起之后，機械手夾取棒料，液壓夾緊裝置松開，取出棒料。⑤氣動夾具處：檢測夾具是否夾緊棒料。

3.3 加工節拍

根據現場實際尺寸的測量，按照現有布局的實際情況，對運動節拍進行了模擬，對上料機構到加熱爐、加熱爐到油壓機、油壓機到上料機構、油壓機到傳輸架、傳輸架到加熱爐進行了實際的模擬。計算出來整個工序的時間為41.44秒，相比目前人工180秒的時間縮短了很長時間，極大的提高了生產效率。

4? 結語

通過本設計，提高了企業自動化生產水平，實現汽車半軸的自動化生產。機器人取代人工生產具有以下方面的優勢：①節約操作工人數：通過自動化設備的使用能夠減少本工序的用工人數，從原先的該工序需要6人，減少到使用一名工人。②提高生產效率：機械手作業與人不同之處在于，機械手可以24小時不停歇的作業，提高生產產量[6]。③保證產品質量：機械手的精度較高，重復定位精度達到正負0.06mm，遠高于人工作業的精度。④降低勞動強度：汽車半軸棒料的質量為10-40kg，每天生產量在1000多個，對于勞動者來說，勞動強度過高，使用機械手自動設備之后能夠減少工人的勞動強度。⑤提高企業的自動化水平：自動化是衡量制造業水平的一個標準，引進自動化設備不僅能夠提升加工制造的實力，而且能夠增加產能[7]。

參考文獻：

[1]劉建光，李仕威，段海峰.應用于工業機器人的數控車床的自動化改造設計[J].機械工程師，2017（6）：79-80.

[2]陶婕.工業機器人在數控機床中的運用實踐研究[J].科技風，2020（07）：165-166.

[3]陸晨芳，宋鵬，丁中華.基于工業機器人和數控車床的自動上下料工作站[J].機械制造，2019，57（12）：45-47.

[4]陳運軍.基于工業機器人的“智能制造”柔性生產線設計[J].制造業自動化，2017，39（08）：55-57.

[5]徐永謙，周謙，羅俏.多數控機床機器人上下料系統[J].機床與液壓，2015，43（15）：47-50.

[6]李平，陳啟愉，段先云，陳浩，鄧志文，廖菲.基于工業機器人的板材自動上下料系統研究[J].機電工程技術，2016，45（08）：4-6.

[7]陳婷婷.4R多關節輪轂加工上下料機械手的運動分析與研究[D].沈陽工業大學，2012.