机加工产品的全自动加工设备

2021-06-01陈韬

现代制造技术与装备 2021年4期

陈韬

（上海宏金设备工程有限公司，上海 201599）

机加工是指通过机械设备对工件的性能、形状或尺寸进行加工的过程。本文所述的机加工产品是把原材料通过数控机床进行切削加工生产的产品。目前，此产品常规的加工工艺为原材料下料、加工工件内孔、加工工件内定位槽、加工工件外圆、加工工件外螺纹以及切断。

本文所研究的自动化设备将数控车床、送料机、机械手以及排屑机4台机床组合为一套设备。整套设备通过PLC伺服系统控制，只需一键启动，就可完成整个产品的加工和摆放，能够自动收集废屑。全套设备操作简单，自动化程度非常高，降低了人工成本，提高了经济效益。

1 产品详细信息介绍

本文所述的机加工产品（图1）需要加工的工艺较复杂，包括产品外圆加工、外螺纹加工、内孔加工、内台阶孔加工以及内定位槽加工等。加工要求按照GB/T 1800.1—2009 IT12类精度尺寸公差进行处理，表面粗糙度要求为3.2 μm。所有加工表面均不允许出现毛刺。

图1 产品图

2 产品的传统加工工艺

产品的传统加工工艺包括六角棒料下料、粗加工外圆、加工内孔、加工内台阶孔、加工内定位槽、精加工外圆、加工螺纹以及割断。8道工序中，六角棒料下料用带锯床完成，其余工序采用普通车床或数控车床均可加工。各道工序通过更换不同的刀具完成工件的加工。主要刀具为外圆刀、钻头、内孔台阶刀、铣刀、螺纹刀以及割刀。棒料下料采用带锯床进行加工，批量下料。粗加工外圆由一台车床完成加工。工件内孔、内台阶孔以及内定位槽由一台车床完成加工，中间由操作者更换刀具，完成3道工序间的切换。精加工外圆、螺纹以及割断由一台车床完成加工，中间由操作者更换刀具，完成3道工序间的切换。整套工序需4台机床和4名操作工完成，加工的废屑需手工清理，全为手工作业，无自动化作业工序，加工效率较低[1]。

3 自动化设备的组成介绍

所涉及的自动化加工设备由自动送料机、数控车床、机械手以及排屑机组成，如图2所示。成套设备动作顺序由PLC伺服系统控制。

图2 自动化加工设备

3.1 自动送料机

自动棒料送料机是自动为可循环加工设备输送材料的机器。输送的材料有多种，如圆棒料、空心棒料以及六角棒料等。本文所述的棒料为六角棒料。此送料机也称为油浴送料机，主要工作原理是以恒定的动力为料管送油，推动推杆将六角棒料送入机床主轴，通过更换不同型号的料夹来输送不同规格的棒料。

3.2 数控车床

数控车床是目前最常用的加工机床，主要用于加工轴零件。这些零件会根据预先准备的加工程序自动进行加工。目前，最常用的数控加工机是C6132数控车床。如图3所示，本工件加工所使用的刀具为“一”字型设计，固定在一个刀架上。刀具都编有相应的刀具号。加工时程序按顺序调用相应的刀具。刀具中挡板用以定位六角棒。其中，用铣刀加工内定位槽时，机床主轴停止，铣刀通过动力头转动进行加工。程序之间通过切换来保证定位槽的加工。其余刀具按加工工艺顺序进行加工。

图3 刀架设计图

3.3 机械手

机械手是一种能模拟人手臂的动作，用以按程序抓取和摆放工件的自动操作设备。本文所述的机械手（图4）由直线模组、滑台气缸、平行夹、取料爪、伸缩气缸以及旋转气缸等组成，由PLC控制系统控制动作顺序。完成加工零件后，机械手进入机床内取出零件并放在零件的放置框中[2]。

图4 机械手设计图

3.4 排屑机

排屑机主要用于传输各种废屑，广泛应用于各类机床。它将废屑传输到排屑车上，将过滤箱安装在排屑小车中间，以分离和回收所有冷却液。本套自动加工设备应用此类型机床，实现了自动收集废屑和冷却油。

3.5 PLC伺服控制系统

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一种电子计算机操作系统，专为在工业环境中使用而设计。它使用可编程内存，在内部存储和执行操作（如运算）指令，并通过模拟或数字输入和输出控制不同类型的生产操作或设备。

4 自动化设备的工作过程与技术难点

4.1 原材料准备、上料

操作员将六角棒料放到自动送料机上，通过操作自动送料机上的开关，将棒料送入数控机床的夹头内，以备开机加工。此道工序的主要问题在于送料机和数控车床夹头同轴度的调试。调试时将车床的夹头拆下来，通过试棒调整送料机的料爪和车床的主轴在一条线上，再将夹头套上试棒后安装于主轴上夹紧试棒。试车试棒的头部，检查试棒的同轴度尺寸，不断调试达到车床的精度要求。

4.2 工件的加工过程

操作员通过启动数控车床的启动按钮，操作设备开始运转。六角棒伸出，接触到刀架上的挡板后停止伸出，此时车床夹头夹住六角棒，伸出的工件长度相等，主轴开始运转。刀架由程序控制开始移动，外圆刀与棒料接触进行工件外圆的粗加工。加工时根据程序设置的切削量和加工次数分3刀加工外圆。加工完工件的外圆，刀架移动，将钻头移动到主轴中心位置，加工工件的内孔，一次加工到位。加工完内孔，刀架移动，台阶刀移动到主轴中心位置，加工工件的内台阶孔。内台阶孔刀根据工件内孔的形状进行定制，并在加工时一次完成工件内台阶孔的加工。

台阶孔加工完后需加工工件内定位槽。由于内定位槽只在工件内侧一个方向上，因此此时主轴转动无法完成定位槽加工。常规工艺在此处会遇到瓶颈，多由二次加工完成。二次装夹加工无法保证工件的尺寸精度，还会提高生产成本。本套自动设备通过反向设计，内定位槽加工时车床主轴停止转动，铣刀加工刀具转动来完成。通过动力头和电动机来提供刀具的转动动力。设计刀架时，需考虑动力头和电机的安装方式（图5），在刀架的右侧通过4颗螺丝将动力头固定于刀架上，同时在动力头上方安装三相异步电机（220 V、5 kW）。动力头与电机通过皮带连接，铣刀安装于动力头头部。加工时通过刀架移动，将铣刀移动到主轴中心位置，此时车床主轴锁死，铣刀转动，加工内定位槽，一次切削完成。

内定位槽加工完后精加工工件外圆，此时主轴恢复转动，刀架移动将外圆刀移动到加工面处，完成工件外圆的精加工。工件外圆加工完后需加工工件螺纹。刀架移动将螺纹刀移动到螺纹加工处，根据程序设置的切削量，三刀切削完工件螺纹。刀架继续移动，割刀按程序移到到切割面处将工件割断，至此道工序工件完成加工。加工过程中需对加工面处喷冷却油，进行冷却和润滑。

4.3 工件的抓取和摆放

本套自动加工设备采用机械手对工件进行抓取和摆放。传统的工艺一般对加工完的工件进行取料后无法按矩阵自动摆放。本套设备通过两套机械手组合动作来实现工件的自动取料和摆放，如图6所示。机械手1和工件放置框由直线模组来控制移动动作，机械手2由滑台气缸来控制移动动作。当上道工序进行割断作业时，机械手1通过直线模组带动进入机床内。机械手1进入机床后，其前端的取料针在伸缩气缸的控制下插入到工件的内孔中，工件割断掉落时正好落在取料针上，此时工件和机械手1跟随丝杆往外运动退出机床，直线模组停止运动，伸缩气缸后边的旋转气缸按90°进行旋转，将先前水平方向放置的工件旋转为垂直方向放置。随后，机械手2的滑台气缸往下运动到达垂直放置的工件，其前端的取料抓在平行夹的带动下夹紧工件，此时机械手1的伸缩气缸收回取料针，脱离工件并回到原始位置。在夹紧工件后，机械手2继续向下运动至工件放置框内后，平行夹松开，工件自动进入放置框内，机械手2退回到原始位置。工件放置框按16×16的矩阵进行运动，可保证每个工件放入到指定位置，实现自动摆放。