铸件冒口切割生产线的设计

石恩斌 郭瑞兴

(天津赛瑞机器设备有限公司 天津 300301)

1 前言

某企业为汽车行业的配套企业，其主要生产任务是为汽车部分铸造零件的冒口进行切割。产品有10种零件，但每种零件批量大，属于大批量少品种的加工企业。该企业采用便携式砂轮切割机，对铸件冒口进手动切割，车间共有50台切割机，生产采用四班三运转作业制。每天平均切割1万2千件。

企业采用手工作业方式，存在生产效率低，人工成本高，产品质量不稳定，安全生产状况差，不便于管理等问题。为解决这一问题企业提出改用自动化生产线作业方式，采用PLC自动控制。砂轮切割加工自动化生产具有高效、安全、高质量、低成本的特点[1] [2]。

2 关键技术问题及解决方案[3]

针对不同零件实现整个生产过程的自动化，保证生产正常、高效、有序进行。在设计过程中要解决的问题包括(1)针对不同零件设计出对应的抓取、夹紧、推挡料等工装；(2)针对不同零件编制对应的控制程序；(3)保证砂轮磨损到不同直径时，砂轮线速度均在合理的范围，能够自动切换。(4)采用PID控制器自动控制切割进给速度[4]。

2.1 不同工件切割生产

由于工件不同，工件的大小、形状各异，工件上冒口大小、位置、数量各不相同。要分别针对不同工件进行抓取装置、夹紧装置工装的进行设计。分别对各工件进行控制系统编程。当加工件更换时，要更换对应件的工装，切换对应件的程序便可。

2.2 砂轮线速度的自动切换

在切割加工时,砂轮的线速度大小对切割效率、切割表面的粗糙度等影响很大。 因此, 较为理想的切割机应满足: 在砂轮允许的线速度范围内, 能使砂轮始终处于较高线速度状态运转[2]。

砂轮切割机线速度处于切割时较佳范围是50～70m/ s，为了保证切割效果，在设计中砂轮驱动电机选用变频电机，方便设置砂轮使用过程中直径变化时砂轮线速度调整。设计时，选取砂轮直轮为600mm，并设定砂轮最小使用直径为300mm。

将砂轮回退位设定为速度切换位，如图1所示，切割砂轮片由砂轮驱动电机1通过V型带轮、V型带等传动装置2带动砂轮片3旋转。在该位置，在砂轮的半径方向上设有6组光电对射传感器，对应砂轮直径分别550mm、500mm、450mm、400mm、350mm、300mm，这样，将砂轮直径分为600～550mm、550～500mm……350～300mm六段。现将砂轮直径600mm、550mm、500mm、450mm、400mm、350mm时，靠传咸器控制，设定砂轮驱动电机速度，使砂轮线速度为70m/ s。当砂轮直径为300mm时，对应传感器EX-11B发讯并报警，提醒操作人员更换砂轮片。

上述各直径段的砂轮最小线速度为：

(1)

式中：

Vmin——上述各段的最小线速度，单位m/s;

D—各段的最大直径，单位mm

由式(1)可看出当砂轮直径接近300mm时，线速度最小，此时D为350mm。此时砂轮线速度为：

设备运行时砂轮切割线速度在60～70m/s范围内变动。

2.3 进给速度的制定

砂轮切割机工作过程中，砂轮与工件的接触面积一定时，进给速度增大，砂轮切割力相应增大，相反，砂轮切割力变小。

由于切割工件冒口大小、形状各不相同，无法建立精确的数学模型。为保证最佳的切割效率和切割状态，设计中采用了PID控制器对砂轮切割的进给速度进行自动控制。

图1 砂轮切割机线速度控制方案示意图1-电机；2-传动装置；3-砂轮切割片；4-对射感应传感器；5-传感器支架；6-本体机架

首先设定砂轮允许最大切割力，自动砂轮 切 割 机 进 给 速 度 控 制 系 统 由 PLC、 伺服电机、 伺服驱动器、 滚珠丝杠副、 力传感器、PID控制器等构成。切割机切割运行时， 将 测 量 到 的 切 割 力 通 过 A /D 转 换 模 块 输 入 到PLC， 再经 PLC 进行 PID 运算， 输出控制量， 再转化为输出脉冲频率值， 控制伺服电机的转速， 从而控制进给速度。

砂轮切割机切割加工实际生产中不仅要考虑工作效率，同时要考虑砂轮片的使用寿命，切割后件切口的表面质量。因此在设定允许最大切割力时要不断工作实践进行优化，使之更趋于合理。

3 设计基本要求

企业计划拟建三条生产线，每条生产线日均加工工件4000件，总计日产量1万2千件；

工件最大尺寸为500mm×400mm×350mm(长×宽×高)；

工件最大重量18kg；

工件共10种规格，冒口数量3-8个不等；冒口最大断面尺寸为80 mm×30 mm，最小22 mm×15 mm。

工件上料采用人工辅助上料，从工件输入至加工后的工件输出，整个过程均实现自动化，生产线采用PLC自动控制。

4 工艺流程

4.1 生产线组织设计

生产工作节奏：

R=T/Q

(2)

式中：

Q—计划每条生产线每日加工产品数量，件；

T—每日有效工作时间，s；

R—生产线工作节奏，s/件；

本设计生产线计划每日生产时间为22小时，每日有效工作时间、工作节奏分别是：

T=22×60×60=79200s

R=79200÷4000=19.8 s/件

生产线上料采用人工上料。在入口段输送装置的输送带上布料，输送带上每一横格布一件待加工件。入口端输送带布满可放料20件。布满一次可运行时间为：

T1=19.8×20=396s

工件从入口端输入到成品件输出，以及成品收集整个过程均实现自动化作业。

4.2 工艺流程

生产工艺流程如下：

5 设备组成及功能

生产线由主机、辅机、PLC控制系统组成：图2是铸件冒口切割砂轮生产线示意图。

图2 铸件冒口切割砂轮生产线示意图1-入口段输送装置；2-工件移入装置；3-工件夹紧装置；4-切割机本体；5-升降机构；6-进给机构；7-横移机构；8-主机机架；9-废料收集装置；10-工件移出装置；11-出口段输送装置；12-成品收集料框

5.1 主机

如图2所示，主机主要由切割机本体4、升降机构5、进给机构6、横移机构7、机架8等组成。

本体由电机、V型带传动机构、砂轮装置、机座等组成，是生产线的核心部件。电机采用变频电机，通过改变电机转速调整砂轮片的线速度，使其在最佳范围内。

升降机构主要由伺服电机、滚珠丝杆、直线导轨、机座等组成。其功能是用伺服电机通过滚珠丝杆驱动切割机本体在垂直方向运行。

进给机构主要由伺服电机、滚珠丝杆、直线导轨、机座等组成。其功能是用伺服电机通过滚珠丝杆驱动升降机构、切割机本体在左、右方向运行，使本体实现快进、工进、快退工艺动作。

横移机构主要由伺服电机、滚珠丝杆、直线导轨、等组成。其功能是用伺服电机通过滚珠丝杆驱动进给机构、升降机构、切割机本体在前后方向运行。

升降机构、横移机构联合动作带动切割机本体快速、准确到达工艺设定的位置。

5.2 辅机

辅机由入口段输送装置1、工件移入装置2、工件夹紧装置3、工件移出装置10、出口段输送装置11、成品收集料框12、废料收集装置9等组成。

入口段输送装置由皮带输送机、推料装置组成。皮带输送机将待加工工件逐件、依次移至挡板位，然后由推料装置使工件定位。

工件移入装置主要由四轴机器人、抓取装置组成。其功能是将上述定位好的工件移至工件夹紧位置。

工件夹紧装置由夹紧装置与回转装置、力传感器、废料收集料槽等组成。其功能是将移入工件夹紧，回转至冒口切割位，工件加工完成后，工件回转至工件移出位，夹紧装置松开。切割过程中产生切屑、废料头落入废料收集料槽，然后进入废料框内，力传感器用来测定切割过程中砂轮切割力。

工件移出装置主要由四轴机器人、抓取装置组成。其功能是将加工完的工件由工件夹紧装置位移至工件出口段输送装置的输送带上。

出口段输送装置由主要皮带输送机与过渡料架组成。它将加工完的工件送入成品收集料框。

5.3 控制系统

电气控制系统由电源柜、传动柜、PLC控制柜、主操作台、工控机、PID控制器、感应元件等组成。对各个工位设备位置、动作进行精确控制。

本设计在生产线的各个工作区及控制位置均设置有传感器，采用PLC自动化控制。使各个工序动作，安全、可靠地完成。

6 结束语

企业铸件冒口切割生产应用了自动化生产线，提高了产品质量，节约了人工成本和管理成本，方便了管理，保障了安全生产。实现了企业提高质量、降低成本、安全生产的目标。

工业自动化设备在机械加工行业中具有广泛的发展空间，对企业的提质降耗、转型升级具有积极的意义。对一些单件大批量工件的机械加工生产很多企业已成功采用。对于多件中、小批量工件机械加工生产企业应用的不是太多。这也是设计人员今后努力的方向。