車床自動送料系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

車床自動送料系統(tǒng)設(shè)計(jì)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、加工精度高的精細(xì)型車床和加工效率高的專用型車床的特點(diǎn)于一身，是國內(nèi)使用量最大，覆蓋面最廣的一種數(shù)控機(jī)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(dǎo)軌和傾斜導(dǎo)軌兩種。檔次較高的數(shù)控臥車一般都采用傾斜導(dǎo)軌。其中以臥式數(shù)控機(jī)床應(yīng)用最為普遍。數(shù)控車床本身有效的解決了對于復(fù)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(jī)器人等自動上料系統(tǒng)外，大局部的中小型企業(yè)仍然依賴于作業(yè)員對產(chǎn)品進(jìn)展上下料操作，特別在對小型零件的中大批量作業(yè)時(shí)，作業(yè)內(nèi)容的單調(diào)枯燥、勞動強(qiáng)度高、薪資報(bào)酬低，造成行業(yè)中人員流動性大，進(jìn)而影響到產(chǎn)品的品質(zhì)和交貨期。關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；自動上料；自動送料系統(tǒng)；機(jī)器人上料分析和研究工程分析數(shù)控車床現(xiàn)今開展迅速，隨著中國國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)的日益優(yōu)化，在中低端市場已經(jīng)根本取代了日德系〔如：三菱、發(fā)那科、西門子等〕的系統(tǒng)，而中國機(jī)床制造技術(shù)現(xiàn)今已經(jīng)行成規(guī)?；?、批量化生產(chǎn)。

對于大型機(jī)床的配套自動化設(shè)備，由開場的國外引進(jìn)變?yōu)橄蘸笞灾餮邪l(fā)制作，并且相關(guān)自動化技術(shù)也趨于成熟。但是在中小型機(jī)床市場，近年來雖然相關(guān)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(jià)格偏高，并未得到很好的推廣。

針對中小型機(jī)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(shè)計(jì)一款效率高、本錢低，并且在近似產(chǎn)品加工可以通用的送料取料系統(tǒng)，是本工程的核心原則。市場調(diào)研使用行業(yè)市場狀況①中國機(jī)床工具報(bào),2021年中國機(jī)床工具行業(yè)運(yùn)行和市場分析報(bào)告國內(nèi)機(jī)床工具市場構(gòu)造也在快速升級。2021年進(jìn)口機(jī)床在全部機(jī)床消費(fèi)額中的占比為34.0%，較2021年提高個(gè)百分點(diǎn)。2021年國內(nèi)數(shù)控機(jī)床消費(fèi)額占比為76.7%中國機(jī)床工具報(bào),2021年中國機(jī)床工具行業(yè)運(yùn)行和市場分析報(bào)告②中國機(jī)床工具報(bào),2021年中國機(jī)床工具行業(yè)運(yùn)行分析預(yù)報(bào)受到構(gòu)造升級和低端產(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。

③(2021年中國機(jī)床工具行業(yè)運(yùn)行分析預(yù)報(bào),2021.01.05)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〞，市場需求構(gòu)造快速提升。比照國內(nèi)2021年和2021年同期金屬加工機(jī)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)值同比下降中國機(jī)床工具報(bào),2021年中國機(jī)床工具行業(yè)運(yùn)行分析預(yù)報(bào)④綜上分析，數(shù)控加工車床在現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)升降構(gòu)造調(diào)整的大環(huán)境下，雖然自2021年開場制造業(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。同類產(chǎn)品比擬A〔圖一〕圖一A1.——外觀大氣，構(gòu)造簡單；圖一采用行架式雙軸機(jī)械手+回轉(zhuǎn)氣缸+2個(gè)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(jī)構(gòu)的Z軸行程過長造成取放料周期時(shí)間的浪費(fèi)。A3.——價(jià)格偏高〔市場價(jià)格大約12萬~18萬左右〕。

由于構(gòu)造決定該裝置要完成產(chǎn)品的搬送必須采用2軸機(jī)械手，并且需要輔助軸1個(gè)，本錢較高。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(shè)定畫面，可以方便學(xué)習(xí)掌握。同類產(chǎn)品比擬B〔圖二〕圖二B1.——高端、靈活，產(chǎn)品限制少；圖二采用工業(yè)6軸機(jī)器人加上夾取裝置上下料，應(yīng)用廣泛。B2.——上料周期長，效率較高〔約10s〕；由于采用關(guān)節(jié)機(jī)器人，合理的布局可以節(jié)約移到行程范圍，并且對應(yīng)加工時(shí)間較長并需要多臺機(jī)床聯(lián)合加工的產(chǎn)品時(shí)，更為有利。B3.——價(jià)格很高〔市場價(jià)格大約18萬~25萬左右〕。主要本錢是工業(yè)機(jī)器人的價(jià)格，即使采用國產(chǎn)機(jī)器人本體的價(jià)格也在12萬左右(代表機(jī)型廣州數(shù)控)，再加上其它輔助裝置，價(jià)格沒有下降空間。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(xùn)機(jī)器人操作的培訓(xùn)才能掌握使用技巧，當(dāng)公司臺數(shù)不多時(shí)，本錢太高。實(shí)地考察通過公司業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，選取國內(nèi)數(shù)控車床生產(chǎn)及使用的集中區(qū)域?qū)嵉卣{(diào)研，通過與當(dāng)?shù)卣皺C(jī)床行業(yè)協(xié)會交流，并從代表性企業(yè)了解到：①該地區(qū)機(jī)床行業(yè)協(xié)會會員企業(yè)共有72家，其中直接機(jī)床制造企業(yè)有69家，主要以生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床為主，普通車床的產(chǎn)量也如調(diào)查結(jié)果所示數(shù)量呈下降趨勢。②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(jī)行業(yè)為主。③現(xiàn)有客戶已經(jīng)不僅僅滿足于數(shù)控機(jī)床的便利性，更希望到達(dá)省人化的要求，對于形狀特征簡單、加工時(shí)間短〔約10S〕的小型零件，需要頻繁上下料，自動化要求尤為迫切，而數(shù)控機(jī)床廠商現(xiàn)有技術(shù)實(shí)力大局部只局限于機(jī)床本體的設(shè)計(jì)制作，對于自動化裝置的設(shè)計(jì)無法獨(dú)立完成，迫切需要自動化裝備的合作廠商一起研發(fā)，推進(jìn)機(jī)器換人工作的節(jié)奏與步伐。③現(xiàn)在面臨主要問題為：為降低本錢及滿足批量化生產(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15~45mm，長度40mm以內(nèi)，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(guān)節(jié)機(jī)械人和行架方式機(jī)械手兩種方式，送料時(shí)間遠(yuǎn)大于實(shí)際的車削時(shí)間，效率過低，并受其構(gòu)造限制本錢壓縮空間小。調(diào)研總結(jié)從實(shí)地考察的結(jié)果更能反響市場對于自動化送料裝置的迫切需求，機(jī)床制造廠商明確說明了合作的意圖。但是要突破現(xiàn)有送料方式〔行架式送料、關(guān)節(jié)機(jī)器人送料〕，設(shè)計(jì)出一款效率更高、本錢更低的自動送料裝置，也實(shí)際反響了本課題的難點(diǎn)。同類產(chǎn)品功能、價(jià)格分析①完成圓柱形零散類車床加工零件的自動送料，對應(yīng)范圍廣；②效率較低，現(xiàn)有效率需要循環(huán)時(shí)間在10S以上；③價(jià)格高，在12萬~25萬的區(qū)間。方案設(shè)計(jì)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(yīng)范圍：直徑15~45mm，長度40mm以內(nèi)；突破現(xiàn)有自動化裝置的效率，控制本錢提升產(chǎn)品性價(jià)比。方案設(shè)計(jì)功能定位加工產(chǎn)品范圍直徑15~45mm，長度40mm以內(nèi)的圓柱型原材料。使用機(jī)床規(guī)格〔圖三、圖四〕圖四：有外罩?jǐn)?shù)控車床外形圖三：無外罩3D模型根據(jù)產(chǎn)品尺寸，選取代表機(jī)型圖四：有外罩?jǐn)?shù)控車床外形圖三：無外罩3D模型功能及價(jià)格要求①完成圓柱形零散類車床加工零件的自動送料。②送料循環(huán)時(shí)間控制在8S以內(nèi)〔提高現(xiàn)有方式效率20%以上〕。③構(gòu)造簡單，調(diào)整維護(hù)方便。④控制本錢，制造本錢控制在萬以內(nèi)〔；[0.8]——現(xiàn)有價(jià)格降低20%；[1.3]——公司根本利潤指標(biāo)〕。設(shè)計(jì)思路市場上現(xiàn)有送料方式無論技術(shù)還是本錢控制已經(jīng)趨于成熟，所以只有從設(shè)計(jì)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本錢。①行架式搬送機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)機(jī)器人雖然對應(yīng)范圍廣泛，但是經(jīng)過市場調(diào)查與客戶溝通，本工程已經(jīng)明確了要對應(yīng)的產(chǎn)品尺寸范圍〔所述〕，備料的方式是否可以優(yōu)化？②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(shí)間？③搬送方式是點(diǎn)〔取料位置〕對點(diǎn)〔主軸卡盤〕搬送，是否必須使用2軸機(jī)械手才能完成？有沒有更簡單的方式？設(shè)計(jì)優(yōu)化備料方式的優(yōu)化圖六：自動回轉(zhuǎn)圓盤送料機(jī)圖五：矩陣孔板方式由于要加工的產(chǎn)品為圓柱型，可以采用振動盤送料或者回轉(zhuǎn)圓盤送料機(jī)自動回轉(zhuǎn)圓盤送料機(jī)，公司已有專利，專利號：圖六：自動回轉(zhuǎn)圓盤送料機(jī)圖五：矩陣孔板方式自動回轉(zhuǎn)圓盤送料機(jī)，公司已有專利，專利號：通過上圖可以看出，矩陣孔板方式要求把原材料一個(gè)一個(gè)的放入相應(yīng)孔位，以方便機(jī)械手定位取料；而回轉(zhuǎn)圓盤送料機(jī)〔公司既有成熟案例〕則只是需要將原材料按方向擺入圓盤內(nèi)即可。主軸卡盤位置主軸卡盤位置產(chǎn)品軌道產(chǎn)品彈簧壓板待料位置彈簧撥桿圖七：待料位置〔搬送位置〕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(shí)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(shí)，免去了到備料位置取料的步驟，機(jī)構(gòu)簡單節(jié)省搬送時(shí)間及本錢。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內(nèi)。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〕：①Y向下降取料〔矩陣孔板位置〕→②將待料位置的原材料通過氣動三爪夾緊→③Y向上升〔上升過程回轉(zhuǎn)氣缸回轉(zhuǎn)，將材料垂直方向變更為水平方向〕→④X+Z向平移至主軸上端→⑤Y向下降至卡盤位置⑥Z向前進(jìn)，材料送入卡盤，卡盤夾緊、氣爪松開→⑦Z向后退，送料退出→⑧Y向上升至待料位置→⑨X+Z向平移至取料位置→返回①循環(huán)優(yōu)化后動作流程〔不含完成品取出〕：①將原材料從軌道切出〔切出的同時(shí)，彈簧撥桿位置變化，帶動彈簧壓板壓緊產(chǎn)品〕→②下降到主軸中心位置→③Z向前進(jìn)，材料送入卡盤并夾緊→④Z向后退，送料退出→⑤送料機(jī)構(gòu)上升至待料位置→返回①循環(huán)如上所述，優(yōu)化后的流程更加簡單，效率更高，預(yù)計(jì)整個(gè)送料時(shí)間約5S，完全滿足工程要求時(shí)間〔10s以內(nèi)〕構(gòu)造布局要完成整套車床自動送料系統(tǒng)應(yīng)該包含：備料裝置、搬送或傳送機(jī)構(gòu)〔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)研究決定采用卡盤內(nèi)增加彈簧彈出機(jī)構(gòu)，將完成品直接彈出卡盤，由取料裝置取走?！灿捎跇?gòu)造簡單，故不在本方案書中詳細(xì)說明〕備料裝置及傳送機(jī)構(gòu)軌道位置備料裝置〔自動回轉(zhuǎn)圓盤送料機(jī)〕最好能夠與機(jī)床連接在一起，并且在出廠搬運(yùn)時(shí)不需要拆分，依據(jù)現(xiàn)有機(jī)床構(gòu)造圖的分析，數(shù)控車床的本體實(shí)際上體積還是比擬小的，為對其整體防護(hù)，在考慮機(jī)床移動行程的根底上，造成機(jī)床外罩的鈑金實(shí)際外形尺寸都比擬大，與機(jī)床本體間有足夠空間來安裝備料裝置。經(jīng)過現(xiàn)場確認(rèn)實(shí)際的機(jī)床尺寸及相關(guān)位置，選取機(jī)床的左前方作為備料裝置的安裝位置〔與機(jī)床廠家溝通，此處的鈑金構(gòu)造可以根據(jù)要求修改〕。邊框?yàn)殁k金外形回轉(zhuǎn)圓盤送料邊框?yàn)殁k金外形回轉(zhuǎn)圓盤送料機(jī)床主軸電機(jī)座數(shù)控車床主軸箱水平傳送皮帶線傾斜的產(chǎn)品軌道機(jī)床控制系統(tǒng)機(jī)床推拉門圖八圖十：備料機(jī)構(gòu)安裝好后的圖片水平傳送皮帶線圖九：左前方的鈑金局部修改后圖十：備料機(jī)構(gòu)安裝好后的圖片水平傳送皮帶線圖九：左前方的鈑金局部修改后備料機(jī)構(gòu)安裝位置上料裝置安裝位置確實(shí)定上料裝置安裝面圖十一確定了待料位置在主軸卡盤的正上方，則上料裝置安裝面圖十一經(jīng)確認(rèn)主軸箱上方平面有做過機(jī)械加工，可以作為安裝基準(zhǔn)面〔見附圖十一：紅色示意位置〕。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向退出、上升回到原點(diǎn)位置待料。本次設(shè)計(jì)采用從后到前的順序，先確定將材料推入卡盤的動作構(gòu)造，然后再分析如何完成相應(yīng)的動作。夾持與推入構(gòu)造設(shè)計(jì)壓板彈簧彈簧壓板頂銷安裝板V型塊壓板彈簧彈簧壓板頂銷安裝板V型塊導(dǎo)軌接口位置圖十二原材料從導(dǎo)軌直接滑落到V型塊中定位，機(jī)構(gòu)向下移動時(shí)彈簧撥桿脫開，彈簧壓板在彈簧力的作用下就可夾緊材料。頂銷軸承頂銷圖十三②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(gè)頂銷就可以將之從頂銷軸承頂銷圖十三需要考慮的問題：為節(jié)省循環(huán)時(shí)間，最好可以在主軸不停頓回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，但是頂銷與原材料的端面是一直接觸的，會產(chǎn)生回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，就可以解決這個(gè)問題；設(shè)計(jì)頂銷安裝時(shí)，追加軸承來保持，就可以完美解決相應(yīng)問題。雖然構(gòu)造簡單，但是可以節(jié)約主軸的起停時(shí)間，而主軸不需要頻繁起停的同時(shí)也大大延長了主軸電機(jī)的壽命。上料裝置的構(gòu)造設(shè)計(jì)①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內(nèi)，并在卡盤夾持后退回。②動作分析后，實(shí)際上完成上料動作，只需要2種動作，升降動作為主運(yùn)動，行程為待機(jī)位置至主軸中心的距離，頂銷的Z向運(yùn)動，動作方向與升降動作為垂直穿插，可以采用曲柄轉(zhuǎn)換動力，將2種動作由1個(gè)驅(qū)動元件驅(qū)動。③為防護(hù)動作的機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)單元都安裝其內(nèi)。曲柄V型塊安裝連接板頂銷安裝連接板曲柄V型塊安裝連接板頂銷安裝連接板輔助復(fù)位彈簧連接板導(dǎo)柱驅(qū)動連接螺母曲柄復(fù)位彈簧導(dǎo)柱長度調(diào)節(jié)螺母保持座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(dǎo)柱長度調(diào)整螺母、及相關(guān)導(dǎo)柱和復(fù)位彈簧組成。上料裝置殼體及總成升降移動用線性襯套〔2升降移動用線性襯套〔2處〕圖十五調(diào)整檢測銅螺栓圖十六頂銷處于推入位置接觸導(dǎo)通①〔圖十六〕上料裝置由1個(gè)驅(qū)動氣缸驅(qū)動保持架單元做升降運(yùn)動，當(dāng)保持架移動到底端時(shí)，曲柄復(fù)位彈簧被壓縮，曲柄將向下作用力轉(zhuǎn)換為向后作用力，由導(dǎo)柱帶動連接板及其上的頂銷做Z調(diào)整檢測銅螺栓圖十六頂銷處于推入位置接觸導(dǎo)通驅(qū)動氣缸與主軸箱連接板前后調(diào)整螺栓圖十七：各機(jī)構(gòu)初始位置②驅(qū)動氣缸與主軸箱連接板前后調(diào)整螺栓圖十七：各機(jī)構(gòu)初始位置③調(diào)整檢測銅螺栓的作用除了對頂銷的推入深度進(jìn)展限位外，在導(dǎo)桿與調(diào)整銅螺栓接觸的同時(shí)，可以通過5V電信號導(dǎo)通的方式，反響送料到位信號，控制系統(tǒng)接收后執(zhí)行下一步動作。設(shè)計(jì)說明原材料導(dǎo)軌由回轉(zhuǎn)圓盤送料裝置送入原材料導(dǎo)軌由回轉(zhuǎn)圓盤送料裝置送入上料裝置完成品取出裝置主軸卡盤車刀刀架導(dǎo)軌寬度調(diào)整圖十八自動送料系統(tǒng)組成整套車床自動送料系統(tǒng)包括：備料裝置〔自動回轉(zhuǎn)圓盤送料機(jī)〕、輸送機(jī)構(gòu)〔傳輸皮帶線+傾斜導(dǎo)軌〕、上料裝置、完成品的取出裝置組成。預(yù)計(jì)整套系統(tǒng)的送料時(shí)間在5S以內(nèi)，自動送料系統(tǒng)本