合金棒材端面定位孔成形专用设备的控制系统研究

张大伟

摘 要：随着我国经济的飞速发展，工业领域也发生了空前的巨变，对产品质量和加工效率的要求越来越严格，代替人工的自动化设备有了良好的发展空间，尤其是非标类的自动化设备更是工业发展中必不可少的产物。本论文中的设备——合金棒材端面定位孔成形专用设备是厦门钨业股份有限公司技术中心研发的，该设备应用于硬质合金预烧坯棒材两个端面定位孔的加工，其研发的目的是提高合金预烧坯加工的精确性与高效性。该设备采用“棒材转动，两端顶尖同时进给”的加工方式，能够比较好的保证预烧坯的加工品质。该设备是自主研发的，在国内外没有同样的设备，在行业中属于首创，属于非标类设备。

关键词：非标类设备；TwinCAT；运动控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.002

1 引言

随着厦门钨业股份有限公司合金非标产品的业务量逐年增加，对加工设备的要求也越来越严格。厦门金鹭特种合金有限公司合金一部大批量生产硬质合金预烧坯棒材系列产品，部分产品出厂前要经过一道工序——给合金预烧坯棒材的两个端面钻孔，产品加工前后的对比情况如下图1所示，该工序对合金产品的质量影响极大。

由于硬质合金预烧培棒材系列产品生产量大、规格不一、易崩缺、易折断，如果由人工手动给产品钻孔，会面临劳动强度大、多工序操作复杂、生产效率低、产品报废率高、人身安全性差等诸多不利因素。因此公司迫切需要大批量自动化设备来代替人工。

通过调查考证发现，国内外生产合金预烧坯棒材端面定位孔的设备处于空白，MAZAK、ANCA、NUM等几家国际知名的机床厂家的设备可以通过在现有的7轴数控系统加工平台上增加程序模块和改动加工机构等方式实现加工棒材定位孔，但费用昂贵，远远超出了预算。

综合以上因素，公司只能独立创新、自主研发出适合硬质合金预烧坯棒材系列产品端面定位孔成形的专用设备。自主研发适合专门产品的专用设备，既可以保证生产产品的工艺不外泄，又可以根据产品的特性升级和改善设备的功能，便于日后设备的维护。设备的示意图如下图2所示。

2 设备组成和功能介绍

合金棒材端面定位孔成形专用设备是我公司组织研发的一台新型的合金预烧坯棒材系列产品端面定位孔加工设备，该设备是用于合金预烧坯棒材系列产品的端面定位孔成形工序，也是公司控制产品质量的最重要的环节之一。对设备的要求包括：安全性、稳定性、操作性、产品质量、日均产能、加工效率等。

设备的主要结构如下图3、4、5所示：

“1-设备上罩”用铝型材拼接组装而成，物美价廉；

“2-设备下罩”用钣金焊接、支撑机构加固后组装而成，外形美观大方；

“3-1#触摸屏”1#触摸屏在设备的正面，用于设备的操作；

“4-电气柜”内部包含电气元件。

“5-1#机械手”1#机械手由X1轴伺服电机、Y1轴伺服电机、升降气缸和真空吸盘组成。在整个加工过程中1#机械手，一直处于工作状态，1#石墨料盘处取待加工的料——送料到工作头处加工——返回1#石墨料盘处取待加工的料；其中机械手部分的机构如下图6所示，包含了若干气缸切实保障了取放棒料的自动化运行。

“6-2#机械手”2#机械手由X2轴伺服电机、Y2轴伺服电机、升降气缸和真空吸盘组成。在整个加工过程中2#机械手，一直处于工作状态，工作头处取加工好的产品——送产品到2#石墨料盘处——返回工作头处取加工好的产品；其中机械手部分的机构如上图6所示，两组机械手形成对称结构。

“7-工作头”工作头部分由Z1轴伺服电机、Z2轴伺服电机、Z3轴伺服电机、C轴三相异步电动机和旋转夹头组成。在此区域完成合金预烧坯棒料的钻孔工艺；

“8-1#石墨料盘”1#石墨料盘上放置着待加工的合金预烧坯棒料；

“9-2#石墨料盘”2#石墨料盘上放置着加工好的产品；

“10-2#触摸屏”2#触摸屏在设备的背面，功能与1#触摸屏一样，尺寸稍小一些主要为了方便操作人员在设备背面设置机械手参数。

上图7中体现了该设备的主要负载情况，7个伺服电机（Z1轴、Z2轴、Z3轴、X1轴、Y1轴、X2轴、Y2轴）和1个三相异步电动机（C轴）共同运行，实现了设备的自动化加工。

3 设备工作过程概述

（1）首先1#机械手通过X1轴和Y1轴的插补运动定位在1#石墨料盘的合金预烧坯棒料上方，1#机械手的升降气缸动作，真空吸盘将棒料吸起，再通过X1轴和Y1轴的插补运动配合升降气缸和真空吸盘的动作将合金预烧坯棒料放置在工作头的待加工托盘上；

（2）工作头检测到有棒料在待加工托盘上后，Z3轴运动将棒料推到工作头夹头中，工作头检测到棒料推到位后，夹头加紧同时工作头摆动到加工位置，Z1轴和Z2轴联动运行，完成定位孔的加工工艺；

（3）棒料定位孔加工完成后，工作头复位并由Z3轴将加工完成的产品推到收料托盘上，再由2#机械手通过X2轴和Y2轴的插补运动定位在收料托盘上方，2#机械手的升降气缸动作，真空吸盘将棒料吸起，再通过X2轴和Y2轴的插补运动配合升降气缸和真空吸盘的动作将加工好的产品放在2#石墨料盘上；

按照以上的工序，设备持续、稳定地运行着。整个运行过程都是根据人机界面上的加工配方和加工工艺参数执行的。

3.1 技术要求

（1）硬质合金预烧坯棒材加工范围。合金一部主要产品的定位孔尺寸如下图8所示：

棒料直径范围：6mm～42mm；

棒料长度范围：110mm～200mm。

（2）加工效率。加工时间控制在：45秒以内。

（3）加工精度。加工后棒料两端定位孔同轴精度≤0.02mm；

加工后棒料两端定位孔深度误差≤0.10mm。

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