電機端蓋生產流程的自動化加工方法研究

羅云麗，羅穎飛，林 松

（1.梧州職業學院，廣西梧州 543000；2.廣州市廣數職業培訓學院，廣州 510700）

在當前技術背景下，制造業正在逐漸向著自動化生產方向靠攏，相較于傳統的人工制造，自動化生產能夠顯著提升零件的制造效率與制造質量，同時還能在一定程度上降低制造成本。電機零部件生產屬于典型的勞動密集型產業，用工成本、管理成本均相對較高，使其向自動化加工、生產方向轉型具有較強的必要性。在西方發達國家，電機零部件生產基本已經實現了較為全面的自動化，但是需要依靠西門子系統數控機器人等先進設備，其綜合配置成本相對較高。本文在國內現實情況的基礎上，擬從加工裝備、總控系統2 個方面提出電機端蓋生產流程自動化加工的具體設計方法。為了實現這一目標，首先需要對電機端蓋加工工藝進行綜合分析。

1 電機端蓋加工工藝分析

1.1 電機端蓋加工工藝要求

電機端蓋自動化加工整體上需要滿足基準統一、參數設定準確、布局格式合理的基本原則。

從細節角度講，電機端蓋加工工藝應當滿足以下基本要求：①輸送系統設計要求。電機端蓋成品屬于典型的圓盤狀零件設備，其形狀具有一定的特殊性，輸送系統應當能夠滿足盤類零件的輸送需求，線速度應當控制在一定范圍內，整體運行平穩。圖1 為電機端蓋的結構框架圖。②機器人設計要求。抓取機器人應當能夠滿足盤類零件的夾持功能，動作靈活，原則上應當采用夾持力度較強的氣爪夾持，在氣爪上應當安裝感應開關，對手爪夾持物料情況進行全面檢測。③定位系統設計要求。該自動化系統應當具有較強的定位準確性，即抓取準確、輸送準確，這是保證自動化系統效果能夠順利實現的重要基礎。④儲料系統設計要求。應當能夠適合盤類零件存儲，同時便于機器人抓取。⑤系統應當具有緩沖裝置，防止端蓋設備受到沖擊與破壞[1]。

圖1 電機端蓋的結構框架圖

1.2 電機端蓋加工工藝流程

本文為了提升設計質量與實用性，在傳統工廠生產的基礎上，遵循“ECRS 四個基本原則”，利用IE 方法對其加工工藝進行改進。

在當前端蓋生產過程中，其加工工藝如下：①雙面車削。通過一臺車床來實現端蓋前端面、后端面的車削作業。②多向鉆孔。通過一臺搖臂鉆床實現鉆端蓋凸臺孔。③攻絲。通過一臺搖臂鉆床實現攻絲。④中心孔滾壓。通過一臺搖臂鉆床，將鉆頭替換成滾壓頭，完成端蓋中心孔滾壓作業[2]。

在原加工工藝流程的基礎上，為了使其更加適合自動化生產加工作業需求，本文對其進行了如下分析與調整：①雙面車削。在傳統技術背景下，需要逐步完成前端面車削、更換夾具、后端面車削，其整體耗時相對較長。為了提升加工效率，本文決定增加1 個機床，同時進行端蓋前端面、后端面的加工，相較于傳統加工技術，該操作思路能夠減少夾具更換操作，為自動化生產提供流程基礎。②多項鉆孔、攻絲。在傳統技術背景下，這2 種操作分別由2 臺搖臂機床來實現，其整體工作效率相對較低。通過分析可知，這2 道工序均較為簡單，為了提升加工效率，可以將其合并成一道工序，能夠在一定程度上提高加工效率。③中心孔滾壓。在傳統技術背景下，中心孔滾壓需要利用一臺將鉆頭替換成滾壓頭的搖臂鉆床，其工作難度相對較低。為了提升工作效率，本文決定引進1 臺專業滾壓機，并將端蓋夾具、滾壓機工作臺進行合并設計，滾壓機只需要保留Z軸上下移動、滾壓頭自轉2 個自由度即可實現較好的滾壓作業質量，整體設計難度相對較小，同時制造成本也能夠達到較低的水平[3]。

2 電機端蓋生產流程自動化系統整體方案設計

2.1 自動化生產線構建

端蓋自動化加工生產線采用模塊化的方法進行設計，即將每個工序分解為獨立的控制單元，其具體結構包括自動化機加工工作站、工業機器人上下料系統、輸送系統、端蓋換面系統、傳感器與控制系統和自動生產線總控臺。

各個子系統的設計內容如下：①自動化機加工工作站。執行雙面車削、多向鉆孔、攻絲和中心孔滾壓等全部的機械零件設備加工作業，其內部的機械設備包括數控機床、加工中心、滾壓機和氣動自動開關門裝置。②工業機器人上下料系統。通過機器人手爪完成上下料作業，為了實現這一目標，需要配置2 套不同夾緊方式的端蓋夾具。③輸送系統。輸送系統是工序之間的紐帶，需要將各個機加工設備、工業機器人串聯，調節整個系統的生產節拍。④端蓋換面系統。在實踐中，需要同時加工端蓋正反兩面，端蓋換面系統的功能是輔助換面，主要結構包括端面放置位、端蓋到位檢測系統。⑤傳感器與控制系統。主要包括大量傳感器設備及控制系統，能夠收集工藝流程的各種信息，并對其進行自動檢測與控制。例如，在端蓋進入輸送線之后，需要借助傳感器系統判斷下一道加工工序提供的端蓋零件是否在線，如果不在線則沒有輸送到位，如果在線，則需要判斷下一道工序機床是否加工完成，如沒有加工完成則需要繼續等待，加工完成則直接進入抓取、加工工序。⑥自動生產線總控臺。負責所有生產信號的匯總及生產指令發出，具體功能包括急停及預停功能、過程控制功能、報警功能、啟動功能、停止功能、暫停功能、復位功能、短路保護功能、電壓保護功能和超節拍保護功能[4]。

此外，在當前機械加工行業中，自動化生產線類型主要包括直線型自動化加工生產線、“L”型自動化加工生產線、“U”型自動化加工生產線3 個主要類型，其基本結構原理存在一定差異，需要根據生產空間特點進行確定[5]。

2.2 控制系統構建

控制系統需要實現整條電機端蓋自動化生產系統的有效控制，電機端蓋自動化生產系統共包括4 道工序，因此，可以將控制系統分為開關量控制、網絡通信控制2 個主要部分，其具體設計思路如下。

在開關量控制方面。該部分系統需要承擔端蓋換面檢測控制、輸送線系統啟/停控制、工業機器人上下料控制的基本功能。以端蓋換面為例，其工作流程如下，首先，凹槽中布置的光電傳感器感應到端蓋信號，并將感應到的信號傳送到PLC 中，經由有效處理之后發出反饋信號，凹槽收縮夾緊端蓋，機器人旋轉到端蓋背面將其夾緊。其次，機器人將夾緊信號傳送到PLC 中，經由有效處理之后發出反饋信號，氣缸電磁閥失電、凹槽放開端蓋、機器人取出端蓋，整個流程到此結束[6]。

在網絡通信控制方面。該部分系統承擔機器人控制器、數控系統等設備實時數據的采集工作。本文決定選用GPC1000 為主控核心，采用GSK-Link 控制總線實時控制伺服單元、I/O 單元，結合自動化機加工設備、工業機器人、輸送線組成一體化的主從網絡通信控制系統架構。

3 電機端蓋生產流程自動化系統具體設計

3.1 輸送線系統設計

輸送線系統屬于整個系統的核心組成部分，其任務為使工件按照一定生產節拍實現工件在機床之間的輸送，結合實際情況，本文決定將輸送裝置設計成直線型，加工設備布置在輸送線一側，同時設定定位裝置保證工件輸送作業的穩定運行。輸送系統的基本參數為：輸送線1 傳送長度為1 m，輸送線2 傳送長度為11.5 m，輸送線3 傳送長度為1 m，傳遞過程中的額定功率為0.8 kW[7]。

3.1.1 傳動系統設計

在工業生產過程中，常見的傳動類型主要包括帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動和蝸桿傳動4 種基本類型，其中，鏈傳動整體制造成本相對較低，同時能夠適應更加復雜的工作環境，且具有輸出平穩、傳動效率高等重要優勢。綜合實際情況，本文最終選定鏈傳動作為傳動系統的技術類型。

輸送線1 為主傳動設備，其鏈傳動設計思路如下：①傳動運行功率計算。計算公式為Pc=KA·P，其中，KA表示工況系數，數值為1；P表示額定功率，數值為0.8 kW。②電機功率計算。計算公式為，其中，KZ表示主動鏈輪齒數系數；KP表示單排鏈系數，數值為1。③鏈條型號與節距確定。結合功率、轉速等數據，本文選擇10A 鏈條，節距為15.875 mm。④鏈節數計算。計算公式為，式中，p表示鏈節距；z1表示主動鏈輪齒數，具體數值為17；z2表示從動鏈輪齒數，具體數值為43；a0表示中心距，數值為635 mm。⑤中心距計算。按照鏈節距計算中心距。⑥運行速度計算。計算公式為其中，z1表示主動鏈輪轉速，具體數值為70 r/min。⑦輸送裝置拉力計算。計算公式為F=1 000×P/V。⑧壓軸力計算。計算公式為FQ=KQ·F，其中，KQ表示壓軸力系數，具體數值為1.15。⑨低速鏈傳動靜強度計算。計算公式為S=FQ·m/KA·Ft≥4~8，其中，FQ表示單排鏈條極限拉伸荷載；m表示鏈條排數；Ft表示輸送機工作拉力。⑩潤滑方式選擇。人工潤滑。11○電機選擇。選擇型號為180SJM-M060GH 的伺服電機，其具體數值為額定功率1.26 kW、額定轉矩60 N·m。

最終確定數據為：①鏈條節距為25.4 mm；②鏈節數為102 個；③鏈條長度為2 590.8 mm；④中心距為1 028.7 mm；⑤速度為0.25 m/s；⑥潤滑方式為定期人工潤滑。

3.1.2 軸設計

3.1.3 定位設計

輸送系統定位控制的定位設計思路如下。本文選擇閉環系統，由伺服驅動，交流伺服電機閉環位置控制具有位置、速度、電流三環測量及比較反饋控制環節。從系統整體運行邏輯來看，只有端蓋擺放、朝向確定，工業機器人的抓取才能保證足夠的準確性，因此，本文需要設計2 個位置定位，其中之一是端蓋在輸送線上的位置定位，由機械設計定位完成，另外一個是端蓋輸送到位的定位，通過傳感器檢測來實現[8]。

3.2 集成控制系統設計

3.2.1 生產線集成控制系統硬件設計

生產線集成控制系統硬件主要指的是可編程控制器（PLC）、觸控板等。

在本文中，PLC 的主控核心選擇廣州數控GPC1000。廣州數控GPC1000 的硬件接口主要包括運行狀態指示燈、GSKLink 總線接口、GSKLink 連接狀態指示燈、以太網接口、RS232、編碼器接口、電源指示燈、24 V 輸入電源、接地柱、4 位撥碼開關、輸出位狀態指示燈、輸出端子、輸出位狀態指示燈和輸入端子。同時，該系統主要具有以下幾個基本特點：①GPC1000 是在成熟的數控技術平臺基礎上研發的，其性價比與可靠性均較為優越。②能夠并行4 通道16 個伺服軸運動控制程序。③指令集豐富、功能較多。④存在2 種控制方式，能夠適應多種使用場景[9]。

觸控板型號選擇MT5520，其性能較為優越，技術參數內容見表1。

表1 MT5520 觸控板技術參數

傳感器同樣也是重要的硬件系統。不同位置選擇不同的傳感器，在本次研究中，機器人手爪抓取端蓋時，手爪頂部、端蓋表面縫隙較小，因此可選擇電感式E2E-X10MY1 接近開關，能夠實現非接觸式檢測目的。

3.2.2 生產線集成控制系統軟件設計

生產線集成控制系統軟件選擇GPCCFG 來實現，該軟件具有數據共通化、操作性強、調試功能豐富等優勢。

輸送程序設計流程為：第一階段，機器人1 從上料轉盤夾持毛坯件到機床1 的裝夾處；取出加工完成后的端蓋；旋轉手爪將另一待加工的端蓋放入其中進行加工；將已加工的工件送至輸送線1 的換面位進行裝夾；機器人1 將換面完成的工件放入輸送線系統；返回上料轉盤循環工作。第二階段，機器人2 運動到輸送線1 的取料位；機器人2 夾持端蓋送入機床2 加工；機器人2 利用另一手爪取下加工完成的端蓋；旋轉手爪將另一待加工的端蓋放入其中進行加工；將已加工的工件送至輸送線2 的換面位進行裝夾；返回上料轉盤循環工作。第三階段，機器人3 配合加工中心、輸送線3、機器人4 配合滾壓機完成相應工作，直到最終加工完成。

4 結束語

縱觀全文，本文結合實際情況，設計了一種電機端蓋自動化加工的工藝流程，將硬件、軟件的基本實現思路進行了剖析，并進行了簡單的分析，發現該系統能夠在一定程度上提升電機端蓋制造質量，值得相關學者對其開展進一步深入研究。