一種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床的自動(dòng)上下料系統(tǒng)

1　研制目標(biāo)與技術(shù)路線(xiàn)

隨著機(jī)械制造工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的經(jīng)濟(jì)數(shù)控車(chē)床日益增多，為了適應(yīng)多品種小批量生產(chǎn)及提高生產(chǎn)力的要求，用戶(hù)希望提供軸類(lèi)零件上下料系統(tǒng)，能夠輸送15～25mm的棒料，并能卸下尺寸不等的軸類(lèi)及片狀零件，價(jià)格應(yīng)低于車(chē)床價(jià)的四分之一(2萬(wàn)元左右)。

從用戶(hù)的要求來(lái)說(shuō)，顯然上下料系統(tǒng)應(yīng)有柔性。傳統(tǒng)的凸輪連桿、開(kāi)關(guān)型氣缸等難以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，示教再現(xiàn)型機(jī)器人也難以完成將尺寸不等的軸類(lèi)及片狀零件卸入零件箱的任務(wù)。另外，上下料系統(tǒng)只是車(chē)床的附件，價(jià)格高了就沒(méi)有人買(mǎi)。我們借助機(jī)電一體化思想，尋找機(jī)與電為一體的結(jié)合點(diǎn)，用電子信息使剛性的氣缸、凸輪、連桿等實(shí)現(xiàn)“柔性”要求，發(fā)生質(zhì)的飛躍，形成具有柔性的上下料系統(tǒng)，獲得很好的功能價(jià)格比。

2　上下料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

氣缸驅(qū)動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用及維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)。但是氣體壓縮性大，普通開(kāi)關(guān)控制難使活塞停在任意位置。因此，它不能按任意零件尺寸送進(jìn)相應(yīng)長(zhǎng)度的棒料，但當(dāng)活塞頂靠氣缸蓋(相當(dāng)機(jī)械檔塊)時(shí)，重復(fù)定位精度高達(dá)±0.03mm。我們利用數(shù)控車(chē)床的刀架作機(jī)械檔塊，氣動(dòng)機(jī)械手在0.2～0.3MPa的氣壓推動(dòng)下，使棒料穿過(guò)車(chē)床主軸孔及卡盤(pán)孔頂?shù)降都芗伴_(kāi)關(guān)上，刀架位置由車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)按需要加工零件的尺寸控制，從而實(shí)現(xiàn)送料柔性，送料精度達(dá)到±0.03mm，能節(jié)約材料及加工費(fèi)用。

氣動(dòng)機(jī)械手的活塞桿頂端安裝了徑向軸承及端面軸承，起支承限位作用，棒料在其中旋轉(zhuǎn)時(shí)只能帶動(dòng)軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，不會(huì)引起活塞桿旋轉(zhuǎn)。

為防止車(chē)削長(zhǎng)棒料時(shí)可能產(chǎn)生大幅度振動(dòng)，在車(chē)床頭部安一個(gè)氣動(dòng)中心架，3個(gè)氣缸受同一個(gè)氣閥控制，進(jìn)氣時(shí)3個(gè)活塞桿頂部的橡皮滾輪同時(shí)壓緊棒料，并隨棒料轉(zhuǎn)動(dòng)而自轉(zhuǎn)，使棒料處于車(chē)床主軸中心位置，從而防止或減少振動(dòng)。活塞桿伸入車(chē)床主軸孔送料時(shí)，橡皮滾輪可壓在活塞桿上，起支承作用。當(dāng)棒料被加工到剩下卡頭時(shí)，機(jī)床的控制系統(tǒng)使刀架后退，殘料落入廢料箱中，同時(shí)使機(jī)械手退回原位，將下一根棒料送上，連續(xù)給機(jī)床供料。每次送料長(zhǎng)度隨需要加工零件的尺寸而變，實(shí)現(xiàn)上料柔性自動(dòng)化的要求。

當(dāng)用戶(hù)在原來(lái)的數(shù)控車(chē)床生產(chǎn)場(chǎng)地上進(jìn)行技術(shù)改造，能用于安裝上料系統(tǒng)的場(chǎng)地小時(shí)，可采用多級(jí)氣缸或普通氣缸組合成的廉價(jià)上料系統(tǒng)，以縮短上料系統(tǒng)的長(zhǎng)度。

3　卸零件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

由于零件的直徑在10～25mm之間變化，長(zhǎng)度變化范圍更大。車(chē)刀將零件從棒料上切下的瞬間，工業(yè)機(jī)器人不能抓取零件，具有手眼協(xié)調(diào)系統(tǒng)的智能機(jī)器人也難快速跟蹤抓取零件。我們首先考慮將機(jī)械手放在數(shù)控機(jī)床刀架的大拖板上，以解決跟蹤車(chē)刀切下零件的位置變化問(wèn)題，再改變手指抓零件的思路，采用機(jī)械手模擬人手從下面接切斷后落下的零件，以適應(yīng)零件直徑及長(zhǎng)度尺寸的變化。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低費(fèi)用，借用車(chē)刀切斷零件時(shí)的聯(lián)動(dòng)，在中拖板上安裝一個(gè)滾輪，當(dāng)加工完零件表面，在車(chē)刀切斷零件的過(guò)程中，中拖板上的滾輪前進(jìn)，逐漸使大拖板上的卸件機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到零件之下，零件切斷時(shí)剛好落入其中，車(chē)刀退回原位時(shí)機(jī)械手在彈簧作用下轉(zhuǎn)回原位，將零件卸入零件箱中，如圖1所示。

4　上下料系統(tǒng)的控制

上下料系統(tǒng)包含隔料器放出一根棒料、氣動(dòng)機(jī)械手向前送進(jìn)棒料及退回原位時(shí)，都用電磁鐵實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制。機(jī)械手送料與車(chē)床卡盤(pán)張開(kāi)、卡緊及車(chē)刀運(yùn)動(dòng)有聯(lián)鎖關(guān)系，其程序如下：車(chē)床啟動(dòng)→卡盤(pán)張開(kāi)→刀架按輸入數(shù)控系統(tǒng)的加工零件尺寸運(yùn)動(dòng)到初始位置→隔料器放出一根棒料→機(jī)械手向前送進(jìn)棒料→開(kāi)關(guān)發(fā)出棒料到位信號(hào)→車(chē)床卡盤(pán)夾緊棒料→加工零件→車(chē)刀切下零件→刀架按輸入數(shù)控系統(tǒng)的加工零件尺寸運(yùn)動(dòng)到初始位置→卡盤(pán)張開(kāi)→機(jī)械手向前送進(jìn)棒料→開(kāi)關(guān)發(fā)出棒料到位信號(hào)→車(chē)床卡盤(pán)夾緊棒料→按上述程序循環(huán)加工，一根棒料被加工完畢后→控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)→機(jī)械手退回原來(lái)位置→隔料器放出下一根棒料→機(jī)械手再向前送棒料→循環(huán)。

卸零件機(jī)械手由大拖板及中拖板帶動(dòng)，不需將工作單獨(dú)編入控制系統(tǒng)。

5　結(jié)論

(1) 普通氣缸驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手借用數(shù)控車(chē)床的刀架，相輔相成，可實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)送料，送料精度±0.03mm，能節(jié)約材料及加工費(fèi)用。

(2) 引用了經(jīng)典的凸輪連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理，借刀架大拖板及中拖板的聯(lián)動(dòng)研制成功卸零件機(jī)械手具有很好的柔性，能可靠地將直徑及長(zhǎng)度不同的零件卸入零件箱中。卸零件時(shí)間與車(chē)刀切斷零件時(shí)間重疊，不但省事、減少投資、節(jié)約時(shí)間，而且可靠性很好。

(3) 上下料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，造價(jià)低廉，具有很高的功能價(jià)格比及實(shí)用價(jià)值。