帶桁架系統(tǒng)自動化數(shù)控加工單元的應用研究

張春振 王玉石 孫鵬

摘 要：本論文以5項典型螺栓類零件作為研究對象，利用帶桁架系統(tǒng)自動化數(shù)控加工單元，實現(xiàn)零件加工過程中自動上料下料、掉頭、抽檢、銑六方等加工內(nèi)容。提高零件加工數(shù)字化、信息化、少人化直至無人化管理，保證零件產(chǎn)品質(zhì)量，提高了勞動生產(chǎn)率，將工人從繁重的體力勞動中解放出來，使零件制造技術(shù)達到一個嶄新的水平。

關(guān)鍵詞：桁架；數(shù)控加工單元；自動化

中圖分類號：TP271 文獻標志碼：A

1 項目簡介

1.1 桁架機器人簡介

桁架式機器人也叫作直角坐標機器人和龍門式機器人。工業(yè)應用中，桁架機器人是能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制的、可重復編程的、多功能的、多自由度的、適合不同任務的自動化設(shè)備。它能夠搬運物體、操作工具，以完成各種作業(yè)。

1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

智能制造技術(shù)已成為世界制造業(yè)發(fā)展的客觀趨勢，世界上主要工業(yè)發(fā)達國家正在大力推廣和應用。發(fā)展智能制造既符合我國制造業(yè)發(fā)展的內(nèi)在要求，也是重塑我國制造業(yè)新優(yōu)勢，實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的必然選擇。智能制造不僅僅是單一的先進技術(shù)和設(shè)備的應用，而是新模式的轉(zhuǎn)變。高效靈活的生產(chǎn)模式、產(chǎn)業(yè)鏈有效協(xié)作與整合、新型生產(chǎn)服務型制造、協(xié)同開發(fā)和云制造，這些都是其很明顯的優(yōu)勢。近年來，各國為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、縮短研制周期，制訂多項先進制造發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃，調(diào)整產(chǎn)業(yè)架構(gòu)， 促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，急需用智能制造提升能力和效率。此外，相關(guān)技術(shù)條件已逐漸成熟。信息技術(shù)和新的智能技術(shù)為智能制造提供了最重要的基礎(chǔ)。目前中國制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級的浪潮之中，正是機器人自動化的發(fā)展良機，08年經(jīng)濟危機之后，現(xiàn)代化制造對員工素質(zhì)要求越來越高，人工成本增長迅速，“招工難”日益嚴重，如何在生產(chǎn)中降低勞動強度， 實現(xiàn)智能自動化，提高生產(chǎn)效率，減少人員配置，縮小生產(chǎn)空間，降低社會成本，甚至于無人化智能加工，在機械加工行業(yè)勢在必行。

隨著制造業(yè)的用工成本上漲、技能人才緊缺、高危環(huán)保、高強度作業(yè)等問題的凸顯，對于工作效率的要求越來越高，企業(yè)如何運用低成本回收大利潤是每個生產(chǎn)廠家心目當中在意的事情。而通過這些年的實踐證明，數(shù)控車床桁架機械手參與生產(chǎn)制造已被廣泛認知和不斷使用，成為社會關(guān)注的焦點。在機器人和自動化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，桁架機器人即實現(xiàn)了制造過程的完全自動化，并采用了集成加工技術(shù)，適用于機床、生產(chǎn)線的上下料、工件翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等， 同時其高精度夾持定位工具系統(tǒng)為機器人自動化加工提供了標準接口。

1.3 問題描述

目前航空領(lǐng)域加工大量螺栓類零件，由于零件批量大，立項前采用普通數(shù)控車床加工，車床實際加工時間很短，工人頻繁執(zhí)行：開安全門—裝夾—關(guān)安全門動作，勞動強度極高。桁架機械手普遍架設(shè)在機床的上方，軌跡單一，占地面積小，桁架機械手生產(chǎn)線工人可以實時監(jiān)測加工過程，問題排除迅速，抽檢方便，人機協(xié)作較好。并且將車床安裝動力頭，實現(xiàn)車床具備銑削功能，兩臺數(shù)控車床+一臺桁架即可將零件由毛料狀態(tài)加工至淬火狀態(tài)。并且通過桁架機械手可以有效地改善了作業(yè)環(huán)境，提高零件加工數(shù)字化、信息化、少人化直至無人化管理，可靠的保證了產(chǎn)品質(zhì)量，極大的提高了勞動生產(chǎn)率，將工人從繁重的體力勞動中解放出來，使現(xiàn)代制造技術(shù)達到一個嶄新的水平。

2 詳細科學技術(shù)內(nèi)容

2.1 總體思路

（1）研究目的。本次技術(shù)改進以5項典型螺栓類零件作為研究對象，利用帶桁架系統(tǒng)自動化數(shù)控加工單元，實現(xiàn)零件加工過程中自動上料下料、掉頭、抽檢、銑六方等加工內(nèi)容。提高零件加工數(shù)字化、信息化、少人化直至無人化管理，可靠的保證了產(chǎn)品質(zhì)量，極大地提高了勞動生產(chǎn)率，將工人從繁重的體力勞動中解放出來，使零件制造技術(shù)達到一個嶄新的水平。

（2）研究內(nèi)容?；谏鲜鲅芯磕康暮湍繕耍炯夹g(shù)改進內(nèi)容主要包括3個部分，首先是梳理典型螺栓類零件工藝方案，改變原有工藝方案，針對桁架數(shù)控加工單元特點，確定螺栓類零件加工方案；其次針對工藝方案，確定毛料長度，設(shè)計毛料料盤，確定上下料方式；最后編制桁架程序及數(shù)控車床加工程序，完成零件加工工作：①梳理典型螺栓類零件工藝方案。選取5項典型螺栓類零件進行工藝優(yōu)化研究，要求具有外形簡單且單機數(shù)量大的特點。梳理典型螺栓類零件工藝方案，改變原有工藝方案，針對桁架數(shù)控加工單元特點，確定螺栓類零件加工方案；②確定上下料方式。針對工藝方案，確定毛料長度，設(shè)計毛料料盤，確定上下料方式；③編制程序。調(diào)試桁架程序，采用示教對桁架進行調(diào)試，空運行桁架系統(tǒng)。編制數(shù)控車床運行程序，利用2號數(shù)控車床動力頭實現(xiàn)銑六方功能。進行程序試切加工。

2.2 技術(shù)方案

螺栓類零件單機數(shù)量較大，改進前采用普通數(shù)控車床加工，車床實際加工時間很短，工人頻繁執(zhí)行：開安全門—裝夾—關(guān)安全門動作，勞動強度極高。通過桁架系統(tǒng)不僅能完成加工工件的自動上料下料、工件翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等工作，而且能滿足快速、大批量加工節(jié)拍。并且利用車床動力頭，實現(xiàn)車床具備銑削功能，兩臺數(shù)控車床+一臺桁架即可將零件由毛料狀態(tài)加工至淬火狀態(tài)。并且通過桁架機械手可以有效地改善了作業(yè)環(huán)境，提高零件加工數(shù)字化、信息化、少人化直至無人化管理，可靠的保證了產(chǎn)品質(zhì)量，極大地提高了勞動生產(chǎn)率，將工人從繁重的體力勞動中解放出來，使現(xiàn)代制造技術(shù)達到一個嶄新的水平。

（1）梳理典型螺栓類零件工藝方案。針對桁架數(shù)控車裝夾零件簡單的特點，充分發(fā)揮桁架的優(yōu)勢，改變原有的工藝方案，改進后螺栓類零件加工工藝安排如下：采用桁架機械手抓料，然后加工兩側(cè)零件后，切斷，并進行銑六方。將原有的5道工序合并為3道，提高了加工效率。

（2）確定上下料方式

以改進后的工藝方案為依托，針對桁架運行原理，按照機械手抓取毛料的運作方式，確定毛料料盤排布方式，確定毛料長度及上下料方式，與下料中心進行協(xié)調(diào)將5件一組成組下料改為兩件一組下料，通過這種改進，充分發(fā)揮了桁架的特點，保證了機械手抓料時穩(wěn)定快速，同時節(jié)省了毛料夾頭量。

（3）編制數(shù)控程序

首先，針對工藝方案，分別編制兩臺數(shù)控車床的加工程序，并編制機床2的動力頭加工六方程序，然后分別對零件進行試切加工。

調(diào)試桁架程序，采用示教對桁架進行調(diào)試，空運行桁架系統(tǒng)。編制數(shù)控車床運行程序，利用2號數(shù)控車床動力頭實現(xiàn)銑六方功能。進行程序試切加工。

3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點

3.1 桁架式機器人優(yōu)勢

（1）多自由度運動，每個運動自由度之間的空間夾角為直角。（2）自動控制的，可重復編程，所有的運動均按程序運行。（3）一般由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、操作工具等組成。（4）靈活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。（5）高可靠性、高速度、高精度。（6）可用于惡劣的環(huán)境，可長期工作，便于操作維修。（7）各個機器人行走軸，均可采用滾輪導軌，具有可高速運行，安裝調(diào)試方便，適合長行程應用，可用于惡劣環(huán)境等。

3.2 桁架機械手裝夾與人工裝夾對比

（1）人工裝卸的弊端：①占用人力資源，生產(chǎn)和管理成本較高；②手工裝卸料存在安全隱患。③工人勞動強度大，生產(chǎn)效率不高。

（2）桁架機器人特點。桁架機器人其結(jié)構(gòu)形式非常適合機床自動化裝卸料，應用潛力巨大，其特點有：①結(jié)構(gòu)簡單緊湊，運行平穩(wěn)；②具有高可靠性，高速度，高精度；③可工作在較為惡劣的工作環(huán)境；④性價比高，調(diào)試、操作簡單。

4 經(jīng)濟效益及社會效益

可一人同時操作多臺機器同時運作，工作效率大大提高，桁架機器人重復定位精度高，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。當今社會人口老齡化加劇，招工難，使用桁架機器人從真正意義上解決了企業(yè)的用工難問題。把工段工藝比較難的，勞動生產(chǎn)力強度大的用機器人代替，從真正意義上做到機器人換人的概念。

參考文獻

[1]孫志禮，冷興聚，魏嚴剛，等.機械設(shè)計[M].沈陽：東北大學出版社，2000：38.