转子轴自动化生产线及其机械结构设计

杜原

海德曼（上海）自动化技术有限公司 上海 201413

引言

目前，我国理论框架、实现技术条件等方面，还处于初级阶段，为了提升产品生产质量及效率，就要加强对机床设备的自动化改造，科学设计机械结构，依据工艺过程设计专门的机床功能，这种设计形式也会逐渐推广，为用户提供个性化定制服务，达到无人化生产目标[1]。

1 自动化生产线设计要点分析

1.1 做好工艺流程分析

数控机床主要用于加工螺纹、回转类型的零件，通过加工赋予工件回转特征的表面，如零件的端面、内孔、外圆、内孔槽等，要想将毛坯工件加工得到成品，就需要展开合理的工艺流程分析，确定机床的规格，粗加工、半精加工、精加工采用的机床规格都存在一定的差异，准备足够的机床台数才能得到足够的产能，这就突出了工艺分析的重要性，在机床自动化改造过程中也要关注这一点，这样才能得到重要的指标，包括切削力、切削功率等。

1.2 充分了解车床结构

在机床的自动化设计过程中，必然会对车床进行修改，可能会选择拆卸零件，也可能会安装新的零件，这就需要先充分了解车床的结构，掌握所有关联零件的重要数据内容，包括尺寸、连接方式等。在正式设计之前，要先对参数指标有着一定的了解，找到当前车床存在的缺陷问题，这样才能为后续改造提供基本方案。

1.3 结合需求制定设计方案

经过前期的调查研究，了解机床现状、工艺以后，可以参考当前规格，确定自动化改造需要的零件，包括型号、数量等基本信息[2]。在设计机械结构时，要运用到大量的零件、采购件，包括轴承、刀架、丝杠等，改造过程中，还需要准备变频器、驱动的电机、强电元器件等。自动化生产线的设计主要从辅助支撑、专用卡具、高压冲屑等方面入手，解决机床原来存在的问题，同时实现自动化控制，提高机床生产的效率及质量。

2 转子轴自动化生产线与机械结构设计实例分析

2.1 设计要求及节拍分析

由于中国制造2025已经开始逐步实施，为控制整个转子轴生产的成本费用，某公司需设计一条转子轴自动生产线用于生产转子轴160、转子轴180及转子轴200，转子轴（160、180、200）自动生产线，三种零件OP30序跳动要求按照0.025mm以内进行考核，最小尺寸精度公差0.005mm按照0.013mm作为考核要求。

2.2 设备选择及布局概述

该转子轴自动化单元项目由4台数控车床、1套自动检测设备、2台关节机器人、1套上料仓、1套下料仓、1套中转料仓、1套工件翻转机构、专用夹具等组成。产线布局如下图1所示，数控车床选择T60/750和T65M-750，T60/750和T65M-750主轴采用大功率、大扭矩、高速、高精度内置同步电主轴结构，适合加工各种零件，低速特性好，适合C轴切削，刀塔采用伺服电机分度、牙盘定位、液压夹紧的设计结构，机床数控系统采用德国SIEMENS828D数控系统，具有换刀速度快，定位精度高，刀塔内部全密封，转位无抬升，精确稳定的优点。

图1 自动化生产线设备布局

自动化生产线的设备布局如图1所示，工工艺设计如下：

第一步：将毛坯摆放到上料仓里，关节机械手进行抓取毛坯件。

第二步：机械手移动到OP10机床门前，待机床门打开后，取下一序半成品工件，换上毛坯件。机械手退出机床后关门，OP10开始加工。

第三步：经过翻转后，机械手移动到OP20门前，待机床门打开后，取下二序半成品，换上一序半成品。机械手退出机床后关门，OP20开始加工。

第四步：机械手将二序半成品放到中转料仓上，进行转序。

第五步：另一台机械手抓取二序半成品，并移动到OP30门前，待机床门打开后，取下成品，换上二序半成品。机械手退出机床后关门，OP30开始加工。

第五步：检测。

第六步：成品下料。

2.3 自动化检测设备设计

自动化检测设备用于产品关键特性的测量存储，同时可以对产品生产过程进行控制及后期追溯，并可与机床联机。动作流程如下：工件放置→ 感应器感应工件 →工件移到内径测量工位→ 内径测量并保存数据 → 内径测量机构关闭 → 工件移到外径测量工位→ 外径测量并保存数据 → 外径测量机构关闭→ 工件移到原始位置。最后电脑综合评估数据并反馈到机械手，如是次品，把工件放在次品盒里边，如是良品，把工件传到良品盒里边。

2.4 自动化产线设计难点解决

在明确产线自动化设计难点后，将其作为后续方案设计的主要方向，这样才能解决机床存在的缺陷问题，同时也可以提高机床的自动化水平，提高生产的效率及质量，下面机械结构改造方案设计主要从辅助支撑、专用卡具、铁屑处理三大方面入手。

2.4.1 增加辅助支撑。根据前期的调查发现，机床生产电机转子轴时，卡装难度相对较高，为此决定采取增加辅助支撑的方式，解决卡装难题。机床本身拥有伺服尾座的功能，选择在座体上设置辅助支撑。考虑到以往项目尝试过增加辅助支撑的方法，拥有一定的经验。在改进结构的过程中，如果选择平面的辅助支撑结构，长时间加工后积累大量的铁屑，为此选择斜面结构，并且增加倾斜角度，对于尖角结构的部分，还额外设置了钣金防护，在保证直径方向调节功能的基础上，同时还增加了轴向调节功能，考虑到实际需求，可以先调整支脚的具体位置，然后在固定处理，这样就增加了该装置的通用性能。同时，在机床主轴箱上，也设置同样的结构，这样可以为关节机器人提供一定的便利，可以依靠机器人放置转子轴的坯料，利用两支撑脚放置胚料，之间间隔一定的距离，最后尾座顶尖顶起，胚料可以进入到夹具断面上，最后完成夹紧、车削等工序，这样就可以大幅度降低装卡的难度，解决原来存在的技术难题，同时关节机器人可以提升机床工作效率及质量。

2.4.2 专用卡具设计。对于标准的中实卡盘、中空卡盘，都需要依靠硬爪抓起工件，如果选择标准卡盘及油缸，操作时就需要利用关节机器人完成翻转工作，但是实际生产的长轴类零件翻转难度较高，翻转过程中会出现与其他机构干涉碰撞的现象，这就无法完成高效加工，而长轴类零件通常拥有较高的加工精度。为此，寻找多家适合的生产厂家，都没有达到生产需求，最后选择一家韩国企业，完成合作，选择专门的装夹工具，经过合理的沟通交流，双方商讨后最终选择双活塞油缸+端驱形式专用卡盘的方案，在精车的过程中，采用硬爪夹紧转子轴，在进入到精车环节以后，自动松开硬爪，在卡盘端面上设置楔形顶杆，推动后可以顶紧转子轴的端面，工件就可以进入到一个高速回转的状态，这个过程中，硬爪也会自动避让，不会对工件回转产生干扰，同时也可以完成车削交工的环节，不会涉及转子轴的翻转问题。通过上述设计，可以解决原来的翻转问题，提高加工的效率及质量。

2.4.3 铁屑处理。在精车过程中，每转进刀量在0.005-0.05之间，生产过程中会产生大量的卷屑，如果处理不够及时，就会对工件表面产生不小的破坏，为了避免出现上述问题，就需要科学处理这一部分的卷屑，为此考虑高压冲屑的方式，在卷屑比较细小的情况下，甚至可以实现高压断屑，根据实际的铁屑处理需求，定制专门的70Bar高压水系统，管路都专门设计，可以快速输送高压水，一直到刀塔内，再进入到车刀座、车刀内，对车削加工位置集中冲刷处理，实现对产生铁屑的高效断屑处理，确保工件上不会遗留任何的铁屑，在加工以后，也不会出现铁屑缠绕的现象。

2.5 项目成果

经过一系列的规划设计，项目的改造成果具体体现在以下几个方面：第一，增加辅助支撑装置。利用新设计的辅助支撑装置可以更方便地完成工件的装卡，降低技术难度。第二，设计专用卡具。可以让工件在精车阶段高速回转，避让转子轴，不需要额外的翻转处理解决原来的翻转难题。第三，高压冲屑。采用高压水系统冲洗处理以后，可以保证工件干净整洁，不会再次受到铁屑的破坏。第四，机内装料。保证卡盘定位面清洁干净，拥有稳定可靠的监测功能，保持良好的气密性。

3 结束语

本文基于转子轴自动化加工单元展开研究，提出对于数控机床机械结构自动化改进的观点。首先要依靠辅助支撑解决装卡工件的问题，这样还可以为夹紧、车削环节提供一定的便利，接下来则是依靠专用的卡具，采取双活塞油缸+端驱形式专用卡盘方案，彻底解决翻转问题，机床后续生产不涉及翻转问题，最后则是配置高压水系统，实现对铁屑的冲刷处理，解决原来的刮碰、缠绕问题。通过系列的规划，设计出大量专用的机械结构，改造后展开试运行，证明改造方案可行，顺利解决转子轴类机床缺陷问题，希望可以为今后转子轴的自动化产线设计提供一定的参考借鉴。