車床自動送料系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及對策

1、-. z.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、加工精度高的精密型車床和加工效率高的專用型車床的特點(diǎn)于一身，是國使用量最大，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，大部分的中小型企業(yè)仍然依賴于作業(yè)員對產(chǎn)品進(jìn)行上下料操作，特別在對小型零件的批量作業(yè)時(shí)，作業(yè)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

2、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)器人上料一、 分析和研究（一） 項(xiàng)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(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，由開始的國外引進(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、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(xiàng)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(jī)床工具市場結(jié)構(gòu)也在快速升級。2014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2010年提高0.9個(gè)百分點(diǎn)。2014年國數(shù)控機(jī)床消費(fèi)額占比為76.7%，較2010年提高6.9個(gè)百分點(diǎn)。未來中國機(jī)床市場結(jié)構(gòu)升級將向自動化、客戶化和換擋升級方向發(fā)展。 2受到結(jié)構(gòu)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(jī)床工具行業(yè)運(yùn)行分析預(yù)報(bào), 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(jié)構(gòu)快速提升。對比國20

4、13年和2014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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡單；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12萬12 / 1318萬左右）。由于結(jié)構(gòu)決定該裝置

5、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)，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(shè)定畫面，可以方便學(xué)習(xí)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(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）。主要成本是工業(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)型數(shù)控 ，再加上其它輔助裝置，價(jià)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(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)，成本太高。4. 實(shí)地考察通過公司業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，選取國數(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：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。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?，F(xiàn)有客戶已經(jīng)不僅僅滿足于數(shù)控機(jī)床的便利性，更希望達(dá)到省人化的要求，對于

7、形狀特征簡單、加工時(shí)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(jī)床廠商現(xiàn)有技術(shù)實(shí)力大部分只局限于機(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?，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(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，并受其結(jié)構(gòu)限制成本壓縮空間小。（三） 調(diào)研總結(jié)從實(shí)地考察的結(jié)果更能反

8、應(yīng)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(guān)節(jié)機(jī)器人送料），設(shè)計(jì)出一款效率更高、成本更低的自動送料裝置，也實(shí)際反應(yīng)了本課題的難點(diǎn)。1. 同類產(chǎn)品功能、價(jià)格分析完成圓柱形零散類車床加工零件的自動送料，對應(yīng)圍廣；效率較低，現(xiàn)有效率需要循環(huán)時(shí)間在10S 以上；價(jià)格高，在12萬25萬的區(qū)間。2. 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)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(jià)比。二、 方案設(shè)計(jì)（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(jī)床規(guī)格（圖三、圖四）根據(jù)產(chǎn)品尺寸，選取代表機(jī)型CK6132數(shù)控車床（排刀式）作為本項(xiàng)目的代表機(jī)型。圖三：無外罩3D 模型圖四：有外罩?jǐn)?shù)控車床外4 / 133. 功能及價(jià)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(shí)間控制在8S 以（提高現(xiàn)有方式效率20%以上）。結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整維護(hù)方便。控制成本，制造成本控制在7.38萬以（12*0.8/1.3；0.8現(xiàn)有價(jià)格降低20%；1.3公司基本利潤指標(biāo)）。（二） 設(shè)計(jì)思路市場上現(xiàn)有送料方式無論技術(shù)還是成本控制已經(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成本。行架式搬送機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)機(jī)

10、器人雖然對應(yīng)圍廣泛，但是經(jīng)過市場調(diào)查與客戶溝通，本項(xiàng)目已經(jīng)明確了要對應(yīng)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(shí)間？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？（三） 設(shè)計(jì)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(zhuǎn)圓盤送料機(jī)3（圖六）作為備料機(jī)構(gòu)。相對于現(xiàn)有的矩陣孔板（圖五）的方式，上料3 自動回轉(zhuǎn)圓盤送料機(jī)，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(zhuǎn)圓盤送料機(jī)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(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(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(zhuǎn)氣缸回轉(zhuǎn)，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(jìn)，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(shí)，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(jìn)，材料送入卡盤并夾緊Z 向后退，送料退出送料機(jī)構(gòu)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(yù)計(jì)整個(gè)送料時(shí)間約5S ，完全滿足項(xiàng)目要求時(shí)間（10s 以）（四） 結(jié)構(gòu)布局要

13、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。（由于結(jié)構(gòu)簡單，故不在本方案書中詳細(xì)說明）1. 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)床結(jié)構(gòu)圖的分析，數(shù)控車床的本體實(shí)際上體積還是比較小的，為對其整體防護(hù)，在考慮機(jī)床移動行程的基礎(chǔ)上，造成機(jī)床外罩的鈑金實(shí)際外形尺寸都比較大，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

14、寸及相關(guān)位置，選取機(jī)床的左后方作為備料裝置的安裝位置（與機(jī)床廠家溝通，此處的鈑金結(jié)構(gòu)可以根據(jù)要求修改）。相關(guān)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(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)的基準(zhǔn)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(xiàng)目的核心上料裝置的相關(guān)設(shè)計(jì)工作。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）。（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(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結(jié)構(gòu)，然后再分析如何完成相應(yīng)的動作。（六） 夾持與推入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于原材料是圓柱體，夾持的結(jié)構(gòu)拋棄原來價(jià)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(jī)構(gòu)而不需要專門的驅(qū)動元器件驅(qū)動（如圖所示）。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)彈簧撥桿脫圖九：左后方的鈑金部分備料機(jī)構(gòu)安裝位置圖十：備料機(jī)構(gòu)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(gè)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(shí)

16、間，最好可以在主軸不停止回轉(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。雖然結(jié)構(gòu)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。（七） 上料裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)際上完成上料動作，只需要2種動作，升降動作為

17、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交叉，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。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。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(dǎo)柱長度調(diào)整螺母、及相關(guān)導(dǎo)柱和復(fù)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(yīng)的傳感單元，確認(rèn)動作是否到位；為方便安裝，還要有相應(yīng)的調(diào)整單元。（圖十六）上料裝置由1個(gè)驅(qū)動氣缸驅(qū)動

18、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)位彈圖十五簧被壓縮，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 向運(yùn)動的同時(shí)，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(qū)動保持架單元做上升運(yùn)動，首 先釋放曲柄復(fù)位彈簧，使頂銷后退， 然后整個(gè)保持架單元整體上升，回到 原點(diǎn)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(jìn)行限位外，在導(dǎo)桿 與調(diào)整銅螺栓接觸的同時(shí)，可以通過 作。 與主軸箱連 接板 圖十七：各機(jī)構(gòu)初始位置 前后調(diào)整螺 栓 驅(qū)動氣缸 5V 電信號導(dǎo)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(shè)計(jì)說明 送料系統(tǒng)安裝后整體圖（圖十八） 上料裝置 原材料導(dǎo)軌 由回轉(zhuǎn)圓盤送 料裝置送入 （一） 完成品取出裝 置 導(dǎo)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(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。 10 / 13 預(yù)計(jì)整套系統(tǒng)的送料時(shí)間在 5S 以， （三） 自動送料系統(tǒng)成本 整體設(shè)計(jì)完成后根據(jù) BOM 清單，制作成本預(yù)算。 備料裝置已知成本 18000， 加工零件費(fèi)用 約 26000 元 采購