車床自動送料系統(tǒng)設計方案及對策

1、-. z.車床自動送料系統(tǒng)設計方案摘 要：數(shù)控車床是數(shù)字程序控制車床的簡稱，集萬能型車床、加工精度高的精密型車床和加工效率高的專用型車床的特點于一身，是國使用量最大，覆蓋面最廣的一種數(shù)控機床。數(shù)控車床可分為臥式和立式兩大類。臥式車床又有水平導軌和傾斜導軌兩種。檔次較高的數(shù)控臥車一般都采用傾斜導軌。其中以臥式數(shù)控機床應用最為普遍。數(shù)控車床本身有效的解決了對于復雜車削零件的自動加工的問題，但是現(xiàn)在我國除了大型企業(yè)采用機器人等自動上料系統(tǒng)外，大部分的中小型企業(yè)仍然依賴于作業(yè)員對產(chǎn)品進行上下料操作，特別在對小型零件的批量作業(yè)時，作業(yè)容的單調(diào)枯燥、勞動強度高、薪資報酬低，造成行業(yè)中人員流動性大，進而影響

2、到產(chǎn)品的品質和交貨期。關鍵詞：數(shù)控車床；自動上料；自動送料系統(tǒng)；機器人上料一、 分析和研究（一） 項目分析數(shù)控車床現(xiàn)今發(fā)展迅速，隨著中國國數(shù)控系統(tǒng)的日益優(yōu)化，在中低端市場已經(jīng)基本取代了日德系（如：三菱、發(fā)那科、西門子等）的系統(tǒng)，而中國機床制造技術現(xiàn)今已經(jīng)行成規(guī)?；?、批量化生產(chǎn)。對于大型機床的配套自動化設備，由開始的國外引進變?yōu)橄蘸笞灾餮邪l(fā)制作，并且相關自動化技術也趨于成熟。但是在中小型機床市場，近年來雖然相關的自動化配套廠家也推出多款自動上下料系統(tǒng)，但是由于效率一般，價格偏高，并未得到很好的推廣。針對中小型機床所加工的中小型批量產(chǎn)品所采用的數(shù)控車床，專門設計一款效率高、成本低，并且在近似

3、產(chǎn)品加工可以通用的送料取料系統(tǒng)，是本項目的核心原則。1 / 13（二） 市場調(diào)研1. 使用行業(yè)市場狀況 1國機床工具市場結構也在快速升級。2014年進口機床在全部機床消費額中的占比為34.0%，較2010年提高0.9個百分點。2014年國數(shù)控機床消費額占比為76.7%，較2010年提高6.9個百分點。未來中國機床市場結構升級將向自動化、客戶化和換擋升級方向發(fā)展。 2受到結構升級和低端產(chǎn)品需求下降影響較大的車床分行業(yè)，其產(chǎn)量和銷售量也逐年走低。 (2014年中國機床工具行業(yè)運行分析預報, 2015.01.05市場需求總量中的低端產(chǎn)品大幅下降，中高端產(chǎn)品不降反升”，市場需求結構快速提升。對比國20

4、13年和2014年同期金屬加工機床的產(chǎn)值和數(shù)控產(chǎn)值情況，總產(chǎn)值同比下降2.9%，非數(shù)控產(chǎn)品產(chǎn)值同比下降17.8%，而數(shù)控產(chǎn)品產(chǎn)值同比增長3.4%. 綜上分析，數(shù)控加工車床在現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)升降結構調(diào)整的大環(huán)境下，雖然自2013年開始制造業(yè)市場低迷，但是銷量卻不降反升，證明市場現(xiàn)有數(shù)控車床的需求呈上升趨勢。2. 同類產(chǎn)品比較A （圖一）A1. 外觀大氣，結構簡單；采用行架式雙軸機械手+回轉氣缸+2個氣動夾爪，來完成產(chǎn)品的上下料工作。A2. 上料下料周期長，效率低（約15s ）；機構的Z 軸行程過長造成取放料周期時間的浪費。A3. 價格偏高（市場價格大約12萬12 / 1318萬左右）。由于結構決定該裝置

5、要完成產(chǎn)品的搬送必須采用2軸機械手，并且需要輔助軸1個，成本較高。A4. 操作調(diào)整簡單；采用加裝PLC+觸摸屏的控制方式，通過優(yōu)化觸摸屏的參數(shù)設定畫面，可以方便學習掌握。3. 同類產(chǎn)品比較B （圖二）B1. 高端、靈活，產(chǎn)品限制少；采用工業(yè)6軸機器人加上夾取裝置上下料，應用廣泛。B2. 上料周期長，效率較高（約10s ）；由于采用關節(jié)機器人，合理的布局可以節(jié)約移到行程圍，并且對應加工時間較長并需要多臺機床聯(lián)合加工的產(chǎn)品時，更為有利。B3. 價格很高（市場價格大約18萬25萬左右）。主要成本是工業(yè)機器人的價格，即使采用國產(chǎn)機器人本體的價格也在12萬左右(代表機型數(shù)控 ，再加上其它輔助裝置，價格沒

6、有下降空間。B4. 操作調(diào)整簡單，但對于調(diào)試員工技能要求高；必須專門做培訓機器人操作的培訓才能掌握使用技巧，當公司臺數(shù)不多時，成本太高。4. 實地考察通過公司業(yè)務網(wǎng)絡，選取國數(shù)控車床生產(chǎn)及使用的集中區(qū)域實地調(diào)研，通過與當?shù)卣皺C床行業(yè)協(xié)會交流，并從代表性企業(yè)了解到：該地區(qū)機床行業(yè)協(xié)會會員企業(yè)共有72家，其中直接機床制造企業(yè)有69家，主要以生產(chǎn)數(shù)控機床為主，普通車床的產(chǎn)量也如調(diào)查結果所示數(shù)量呈下降趨勢。其中選取的代表企業(yè)制造銷售數(shù)控車床年產(chǎn)量在1200臺以上，現(xiàn)在數(shù)控車床以斜軌式床身為主，其主要客戶以汽車行業(yè)、電機行業(yè)為主?，F(xiàn)有客戶已經(jīng)不僅僅滿足于數(shù)控機床的便利性，更希望達到省人化的要求，對于

7、形狀特征簡單、加工時間短（約10S ）的小型零件，需要頻繁3 / 13 上下料，自動化要求尤為迫切，而數(shù)控機床廠商現(xiàn)有技術實力大部分只局限于機床本體的設計制作，對于自動化裝置的設計無法獨立完成，迫切需要自動化裝備的合作廠商一起研發(fā)，推進機器換人工作的節(jié)奏與步伐?，F(xiàn)在面臨主要問題為：為降低成本及滿足批量化生產(chǎn)要求，加工產(chǎn)品的原材料以冷鍛熱鍛件為主，產(chǎn)品規(guī)格主要集中在直徑1545mm，長度這樣的零散材料造成不能采用主軸后端連續(xù)送料方式解決，現(xiàn)在的主要方式為關節(jié)機械人和行架方式機械手兩種方式，送料時間遠大于實際的車削時間，效率過低，并受其結構限制成本壓縮空間小。（三） 調(diào)研總結從實地考察的結果更能反

8、應市場對于自動化送料裝置的迫切需求，機床制造廠商明確表明了合作的意圖。但是要突破現(xiàn)有送料方式（行架式送料、關節(jié)機器人送料），設計出一款效率更高、成本更低的自動送料裝置，也實際反應了本課題的難點。1. 同類產(chǎn)品功能、價格分析完成圓柱形零散類車床加工零件的自動送料，對應圍廣；效率較低，現(xiàn)有效率需要循環(huán)時間在10S 以上；價格高，在12萬25萬的區(qū)間。2. 方案設計的目的、要求完成圓柱形零散類車床加工零件的自動送料，對應圍：直徑1545mm，長度40mm 以；突破現(xiàn)有自動化裝置的效率，控制成本提升產(chǎn)品性價比。二、 方案設計（一） 功能定位1. 加工產(chǎn)品圍直徑1545mm，長度40mm 以的圓柱型原材

9、料。2. 使用機床規(guī)格（圖三、圖四）根據(jù)產(chǎn)品尺寸，選取代表機型CK6132數(shù)控車床（排刀式）作為本項目的代表機型。圖三：無外罩3D 模型圖四：有外罩數(shù)控車床外4 / 133. 功能及價格要求完成圓柱形零散類車床加工零件的自動送料。送料循環(huán)時間控制在8S 以（提高現(xiàn)有方式效率20%以上）。結構簡單，調(diào)整維護方便?？刂瞥杀?，制造成本控制在7.38萬以（12*0.8/1.3；0.8現(xiàn)有價格降低20%；1.3公司基本利潤指標）。（二） 設計思路市場上現(xiàn)有送料方式無論技術還是成本控制已經(jīng)趨于成熟，所以只有從設計上尋找突破口，找出更直接簡單的方法，才能在滿足使用性能的前提下降低成本。行架式搬送機構和關節(jié)機

10、器人雖然對應圍廣泛，但是經(jīng)過市場調(diào)查與客戶溝通，本項目已經(jīng)明確了要對應的產(chǎn)品尺寸圍（2.1.1所述），備料的方式是否可以優(yōu)化？方案的最終目的是將待加工的原材料，送入車床的主軸卡盤，卡盤夾緊后自動加工。能否縮短產(chǎn)品的搬送來節(jié)省搬送時間？搬送方式是點（取料位置）對點（主軸卡盤）搬送，是否必須使用2軸機械手才能完成？有沒有更簡單的方式？（三） 設計優(yōu)化1. 備料方式的優(yōu)化由于要加工的產(chǎn)品為圓柱型，可以采用振動盤送料或者回轉圓盤送料機3（圖六）作為備料機構。相對于現(xiàn)有的矩陣孔板（圖五）的方式，上料3 自動回轉圓盤送料機，公司已有專利，專利號：ZL2013 2 0709607.8圖五：矩陣孔板方式 圖六

11、：自動回轉圓盤送料機更為簡單。通過上圖 可以看出，矩陣孔板方式要求把原材料一個一個的放入相應孔位，以方便機械手定位取料；而回轉圓盤送料機（公司既有成熟案例）則只是需要將原材料按方向擺入圓盤即可。2. 搬送位置的優(yōu)化（圖七）如上圖所示，要想節(jié)省移送距離，只有選擇盡量靠近主軸的卡盤位置作為待料位，才能減少搬送距離和搬送時間；利用傾斜的軌道使產(chǎn)品滑動到主軸卡盤上端的待料位置，這樣在執(zhí)行送料時，免去了到備料位置取料的步驟，機構簡單節(jié)省搬送時間及成本。3. 搬送方式的優(yōu)化將原材料通過軌道直接輸送到主軸上方，然后由上料裝置切出后送入主軸卡盤。如果這樣就可以簡化送料步驟：現(xiàn)有方式（不含完成品取出）：Y 向下

12、降取料（矩陣孔板位置）將待料位置的原材料通過氣動三爪夾緊Y 向上升（上升過程回轉氣缸回轉，將材料垂直方向變更為水平方向）*+Z向平移至主軸上端Y 向下降至卡盤位置Z 向前進，材料送入卡盤，卡盤夾緊、氣爪松開Z 向后退，送料退出Y 向上升至待料位置*+Z向平移至取料位置返回循環(huán)優(yōu)化后動作流程（不含完成品取出）：將原材料從軌道切出（切出的同時，彈簧撥桿位置變化，帶動彈簧壓板壓緊產(chǎn)品）下降到主軸中心位置Z 向前進，材料送入卡盤并夾緊Z 向后退，送料退出送料機構上升至待料位置返回循環(huán)如上所述，優(yōu)化后的流程更加簡單，效率更高，預計整個送料時間約5S ，完全滿足項目要求時間（10s 以）（四） 結構布局要

13、完成整套車床自動送料系統(tǒng)應該包含：備料裝置、搬送或傳送機構（將原材料送至待料位置）、材料送入卡盤裝置（上料裝置）、完成品的取出裝置。產(chǎn)品加工完成后的取出裝置，經(jīng)研究決定采用卡盤增加彈簧彈出機構，將完成品直接彈出卡盤，由取料裝置取走。（由于結構簡單，故不在本方案書中詳細說明）1. 備料裝置及傳送機構軌道位置備料裝置（自動回轉圓盤送料機）最好能夠與機床連接在一起，并且在出廠搬運時不需要拆分，依據(jù)現(xiàn)有機床結構圖的分析，數(shù)控車床的本體實際上體積還是比較小的，為對其整體防護，在考慮機床移動行程的基礎上，造成機床外罩的鈑金實際外形尺寸都比較大，與機床本體間有足夠空間來安裝備料裝置。經(jīng)過現(xiàn)場確認實際的機床尺

14、寸及相關位置，選取機床的左后方作為備料裝置的安裝位置（與機床廠家溝通，此處的鈑金結構可以根據(jù)要求修改）。相關布局圖紙如下圖所示（圖八、九、十）：修改后的鈑金部分圖片，和安裝備料機構后的圖片。 2. 上料裝置安裝位置的確定確定了待料位置在主軸卡盤的正上方，則上料裝置以主軸卡盤位置作為設計的基準參考位置，恰好主軸箱的上方擁有安裝平面，確定以此位置作為上料裝置的安裝位置，并展開本項目的核心上料裝置的相關設計工作。經(jīng)確認主軸箱上方平面有做過機械加工，可以作為安裝基準面（見附圖十一：紅色示意位置）。（五） 上料裝置的動作分析上料裝置要完成的動作：夾持產(chǎn)品、垂直下降至卡盤中心位置、Z 向推入材料至卡盤、Z

15、 向退出、上升回到原點位置待料。本次設計采用從后到前的順序，先確定將材料推入卡盤的動作結構，然后再分析如何完成相應的動作。（六） 夾持與推入結構設計 由于原材料是圓柱體，夾持的結構拋棄原來價格高昂的氣動三爪的方式，采用彈簧壓板+V型塊定位的方式，這樣可以簡化機構而不需要專門的驅動元器件驅動（如圖所示）。原材料從導軌直接滑落到V 型塊中定位，機構向下移動時彈簧撥桿脫圖九：左后方的鈑金部分備料機構安裝位置圖十：備料機構安裝好后的開，彈簧壓板在彈簧力的作用下就可夾緊材料。由于采用上述方法夾持，原材料的推入就變得簡單，只需要1個頂銷就可以將之從V 型塊中推入卡盤（圖十三）。需要考慮的問題：為節(jié)省循環(huán)時

16、間，最好可以在主軸不停止回轉的狀態(tài)下將產(chǎn)品推入，彈簧壓板+V型塊可以允許產(chǎn)品送入過程中和卡盤夾持瞬間所帶動的原材料回轉，但是頂銷與原材料的端面是一直接觸的，會產(chǎn)生回轉摩擦力，可能會引起送料不穩(wěn)定。則如果頂銷可以和原材料一起回轉，就可以解決這個問題；設計頂銷安裝時，追加軸承來保持，就可以完美解決相應問題。雖然結構簡單，但是可以節(jié)約主軸的起停時間，而主軸不需要頻繁起停的同時也大大延長了主軸電機的壽命。（七） 上料裝置的結構設計經(jīng)分析，上料裝置要完成的動作包括：帶動產(chǎn)品下降至主軸中心位置及返回，頂銷Z 向推動原材料到卡盤，并在卡盤夾持后退回。動作分析后，實際上完成上料動作，只需要2種動作，升降動作為

17、主運動，行程為待機位置至主軸中心的距離，頂銷的Z 向運動，動作方向與升降動作為垂直交叉，可以采用曲柄轉換動力，將2種動作由1個驅動元件驅動。為防護動作的機構和安裝方便，采用鑄造箱體作為上料裝置的殼體，其他的所有機構單元都安裝其。1. 上料裝置保持架單元（圖十四）保持架單元主要由：保持座、曲柄、頂銷安裝連接板、頂銷組、V 型塊安裝連接板、v 型塊組、導柱長度調(diào)整螺母、及相關導柱和復位彈簧組成。2. 上料裝置殼體及總成上料裝置的殼體除了收納安裝保持架單元（圖十五）外，為保證動作的穩(wěn)定性，還要追加相應的傳感單元，確認動作是否到位；為方便安裝，還要有相應的調(diào)整單元。（圖十六）上料裝置由1個驅動氣缸驅動

18、保持架單元做升降運動，當保持架移動到底端時，曲柄復位彈圖十五簧被壓縮，曲柄將向下作用力轉換為向后作用力，由導柱帶動連接板及其 上的頂銷做 Z 向運動的同時，將 V 型塊所夾持的原材料推入卡盤。 （圖十七）卡盤夾持材料后， 氣缸驅動保持架單元做上升運動，首 先釋放曲柄復位彈簧，使頂銷后退， 然后整個保持架單元整體上升，回到 原點位置待料。 調(diào)整檢測銅螺栓的作用除了對 頂銷的推入深度進行限位外，在導桿 與調(diào)整銅螺栓接觸的同時，可以通過 作。 與主軸箱連 接板 圖十七：各機構初始位置 前后調(diào)整螺 栓 驅動氣缸 5V 電信號導通的方式，反饋送料到位信號，控制系統(tǒng)接收后執(zhí)行下一步動 三、 設計說明 送料系統(tǒng)安裝后整體圖（圖十八） 上料裝置 原材料導軌 由回轉圓盤送 料裝置送入 （一） 完成品取出裝 置 導軌寬度調(diào) 主軸卡盤 車刀刀架 整 圖十八 （二） 自動送料系統(tǒng)組成 整套車床自動送料系統(tǒng)包括：備料裝置（自動回轉圓盤送料機） 、輸送 機構（傳輸皮帶線+傾斜導軌） 、上料裝置、完成品的取出裝置組成。 10 / 13 預計整套系統(tǒng)的送料時間在 5S 以， （三） 自動送料系統(tǒng)成本 整體設計完成后根據(jù) BOM 清單，制作成本預算。 備料裝置已知成本 18000， 加工零件費用 約 26000 元 采購