自动化上下料系统的设计*

□ 林建兵

眉山职业技术学院 四川眉山 620010

1 设计背景

“中国制造2025”提出智能制造是五大核心工程之一,装备制造企业要紧密围绕制造领域关键环节,充分集成信息技术,开发智能产品和自主可控的智能装置,紧扣关键工序智能化、关键岗位机器换人、生产过程智能优化控制,建设智能工厂与数字化车间,实现产业升级,技术进步。在实施智能制造的过程中,规模企业步伐更快,成效显著,但多数中小微企业自动化升级进程较慢,如何寻找有效途径,利用现有基础与条件,逐步实现自动化、智能化制造,是此类企业面临的一大难题。

实现智能化的重要基础是生产过程自动化,一般大型企业通过整体购买自动化生产线来达到这一目的,而中小微企业往往产品类型单一,且附加值及利润较低,要实现智能化升级,存在较多困难[1]。一方面是技术投入资金有限。中小微企业一般自有资金有限且融资困难,多数资金均搁置在生产流通环节,储备资金少,无法同时满足规模化自动化生产线的投入和正常的生产流通。另一方面是智能化需求不高。一般中小微企业大多处于数控设备完全更新迭代时期[2],单体数控加工设备较多且生产任务重,主要是为上游产品企业提供配套服务,现阶段智能化需求不高,且淘汰后再利用难度较大。针对数控加工技术具有一定自动化条件的企业,通过融合工业机器人技术对数控机床自动化上下料系统进行改造,来实现企业的自动化升级,由此设计了自动化上下料系统[3-4]。

2 系统设计概况

某企业的一款主要产品是八位连接孔标准法兰,产品为标准件,需求量大,与供需企业签订长期合同,利润较高。企业决定固化两台数控设备专门进行该法兰的生产,同时为满足供货要求,提高生产效率,拟对现行人工上下料生产模式进行自动化设计。通过实地考察,综合需求、参数、成本、场地等因素,提出在不改变原有机床布局的情况下设计一套自动化上下料系统,用于自动装卸工件,并实现连续性生产。设计基本思路为,采用自动传输装置与控制系统,配合坐标机械手,在生产过程中实现产品的自动输送、装夹、取件等一系列操作,配套动力、控制等辅助系统进行精准控制,实现生产过程的自动化。

现场有LK020A型数控车床,配置发那科系统,主要参数表见1。产品为八位连接孔标准法兰,大端外径为94 mm。

表1 机床主要参数

针对八位连接孔标准法兰产品的生产实际,确定自动化上下料系统的整体结构,如图1所示。这一自动化上下料系统由供料装置、传输系统、装夹系统、辅助伺服系统构成,采用可编程序控制器控制和工业机器人技术,可以实现连续进给、不间断加工的循环工作状态。

▲图1 自动化上下料系统整体结构

3 供料装置

利用原有机床的位置,设计供料装置布局,如图2所示。在每台机床外侧设置供料工作台,两个托盘分装毛坯件,托盘尺寸可以供18个毛坯件三行六列放置。托盘内配套设计毛坯件定位孔,用于准确定位毛坯件,为后续传输系统翻转机械手的准确抓取提供条件。在托盘底部设计导滑槽与限位块结构,保证托盘快速轮换及准确定位。双托盘确保在换料时间内不间断供料,为设备的连续工作提供保障。在原有机床位置基础上进行设计,避免了调整机床位置导致的设备调试成本增加、安装周期延长。结合工件加工工时、托盘轮换时间,兼顾系统结构的紧凑性,供料装置的紧凑布局便于后续一人两机的生产安排。

▲图2 供料装置布局

4 传输系统

在机床外侧供料工作台与机床主轴间构建由固定柱、滚珠丝杆、直线导轨、机械手臂、翻转机械手,以及配套气缸和伺服器等组成的传输系统。传输系统的工作过程为:翻转机械手中的一个机械手将已经加工完成的工件放回托盘,执行翻转动作,由另一个机械手取出毛坯件;翻转机械手连同机械手臂在气动滑台的带动下上升至指定高度,通过由滚珠丝杆与直线导轨构成的直线运输带将毛坯件横向传输至机床主轴位置上方;待正在加工的工件加工完成后,在联动信号控制及液压气缸驱动系统的配合下,主轴停止运行,机床防护门开启,机械手臂下降至机床内主轴位置;一个机械手完成工件抓取后执行翻转动作,另一个机械手执行工件装夹;工件装夹完成后,机械手臂回升至运输高度;防护门关闭,机床联动信号启动主轴运行,进行加工;翻转机械手继续回运工件至托盘,由此完成一个工作循坏,毛坯件及成品实现双向传输。

5 装夹系统

装夹系统由翻转机械手、机械手臂及配套的气缸与辅助机构组成,主要实现去程毛坯件及回程产品的放置与抓取,抓取工件如图3所示,装卸工件如图4所示。机床防护门由气缸驱动,并通过信号控制器控制,对应翻转机械手的工作状态与运动位置,实现防护门的开启与关闭。装夹系统与机床主轴的停止与启动实现了信号联动,确保加工工序及装卸工作有序开展,互不交叉。

6 工作流程

自动化上下料系统正常运行的关键在于与机床间的紧密配合[5],相互协作,执行动作有序有效、互不干涉。整套系统的运转需要有一套严密的控制系统,能够实现与机床间的信号联动,同时配备相应的伺服电机、气动装置、可编程序控制器、接近开关、触摸屏等。采用触摸屏实现位置监控和参数设置,由可编程序控制器控制伺服电机的运转。自动化上下料系统工作流程如图5所示。

▲图3 抓取工件

▲图4 装卸工件

7 设计小结

自动化上下料系统基于原有生产条件设计,在投入不大的前提下,实现了自动化、连续性生产[6],具有四方面优势与特点。一是标准件占比高。系统利用伺服电机、直线导轨、滚珠丝杆、气缸、机械手等标准件,标准件占比达70%以上,改造周期短、成本低,后期维护较为便利。二是保持机床布局不变。自动化上下料系统各部件均以原机床位置为基础进行设计布局,避免了机床移动及再次装调,节约成本,缩短安装时间。三是自动化程度明显提升。充分集成控制系统、辅助系统及机械手,实现取料、放料动作连续协作完成,达到缩短加工周期、提高生产效率的目的。四是系统具有柔性特点。系统各部分设备均基于可编程序控制器进行控制,采用触摸屏操作,方便、直观,改变供料装置及翻转机械手,便可适用于更多产品的自动化生产[7]。

8 生产验证

统计两台机床加工60个八位连接孔标准法兰的相关数据,结果较原有用时缩短105 min,无废品产生,产品关键尺寸稳定性好。生产方式由原一人一机改为一人两机,工人自述劳动强度明显降低。通过生产验证,所设计的自动化上下料系统运行稳定,具备可靠性与安全性,适宜批量生产。机床工作状态如图6所示,法兰成品如图7所示。

9 结束语

在国家智能化进程推进与产业转型升级的大形势下,中小微制造企业面临诸多困难,既不能盲目升级,又不能裹足不前[8]。笔者基于现有基础条件,充分融合机器人技术、自动化控制系统、现代传输技术,改造原始的人工上下料模式,设计了自动化上下料系统,实现连续性加工,切合实际,产出有效[9]。应用所设计的自动化上下料系统,产生了一定的经济效益,并且顺应国家对制造业产业升级的要求,可以为中小微制造企业实施产业升级提供借鉴与参考[10]。

▲图5 自动化上下料系统工作流程

▲图6 机床工作状态

▲图7 法兰成品