半轴精车、钻孔、孔倒角自动化设计

本项目设计为两组品字形设备排布，每组品字形主要是一台关节机器人负责三台机床上下料，设备有一台七关节机器人、一台数控车床、两台自制数控镗床、一套双层上下料架，一套手动上下料吊具供两组品字形设备上下工件。自动上下料机构是本次设计中的一个重要部分，所谓上料、下料机构是指在加工过程中实现自动给料和自动出料的机械装置，最终实现自动工作循环。自动化工序主要包括精车法兰盘、钻孔、盘孔内外端面倒角，年产能可达30万件，比原有生产线每班节省7人，年节省计件工资126万元。

产品结构图

首先简单介绍一下我公司的一种法兰盘产品结构，具体产品结构如图1所示。主要加工尺寸：外圆直径 φ221mm，盘厚15mm，中心距为 φ190mm，共计10个孔，孔径为16.3 +0.2mm，孔相对于半轴两端中心孔的位置度为 φ0.2mm，加工法兰盘外圆、内外端面，钻法兰盘孔，内外端面孔倒角。

图1 法兰盘产品结构图

生产线原有加工方式

原有生产线存在很多缺点与不足，如图2所示。生产线加工为单机加工，工序为钻孔(立钻或组合钻、普车精车盘、镗孔、内外端面倒角，每台机床一名操作者，具有机床分布零散、工序多、运输距离远、用人多、人工成本高等缺点。

图2 原生产线存在的缺点

自动线改造设计——改善措施

此自动化设计选择了区域化设计方案，总体结构采用品字形设计，一个区域采用两组品字形结构，对称布置，进出料口在两组品字形的中间位置，由于进出料口在同一侧，上、下工件由一人操作即可，减少一名操作者，如图3所示。此自动化设计替代了传统的单机手动操作，一个品字形的设备组成：自制的钻孔机床2台，型号ZTMK6100-260/YF；数控斜轨车床1台，型号SL-36150；FANUC七轴机器人1台，型号2000iB-210F；一套平衡吊及吊具承担两套品字形的上、下工件工作；上下工件工装为双层上下料架。以上设备及工装组建成了精车→钻孔→倒角自动线，单班产能300件，单班节省7人，大大降低人工成本，由于工序少，运行稳定，产品质量一致可靠。

图3 设备布局情况

整线动作逻辑关系

人工操作吊具取料到料架→顶层料架输送到加工区→机器人取第一件到车床上料→机器人取第二件到车床、翻转手爪取下车床加工好的第一件、上料第二件→机器人抓取第一件到一号钻孔机床上料→机器人取第三件到车床、翻转手爪取第二件、上第三件→机器人抓取第二件到二号钻孔机床上料→机器人到一号钻孔机床取第一件回料架为一组完整加工状态，以此类推顺序完成顶层料架所有产品的加工，当顶层料架摆满加工完的成品后料架会退出，底层料架会进入程序形成一个互相交替的动作，最终完成自动循环不停机。

自动线组成结构

平衡吊及吊具

上料方式采用平衡吊，臂展半径3200mm，前端夹具位置可直接与地面接触。抓取料工装为自行设计的手动夹具，夹具为折臂杠杆形式，抓取时采取双手联动方式。由于转序半轴为玛莲朵摆放，杆与杆紧挨着，大多数没有缝隙，夹具设计前端为尖角便于抓取工件。抓取动作双手握住夹具手柄，夹具靠自重下落变形张开，前端尖角部位插入工件杆部缝隙中，抓料后操控手动开关提升工件，放入料架后手拉悬臂杆，脱开挂钩，打开夹具，完成上料动作。此上下料夹具主要解决工件杆与杆之间紧凑无缝隙、难抓取的问题，如图4所示。

图4 平衡吊及吊具

双层上下料架

双层料架是自动送料的机械装置，最终实现自动工作循环。双层上料架上层可装载6件工件，下层可装载4件工件。工人用吊具取料放到V形块上，靠近盘杆部及花键杆部各有一信号，到位信号灯会亮起，依次摆放；当顶层装满6件半轴后，气缸定位，花键端面与定位块靠严，此时工件信号全部到位，上层料架推进送料区待加工；上层料架的工件全部加工完后再退回到原有位置卸下工件；下层料架装满4件工件再以同样的方式输送到待加工区，实现自动循环加工。整个上下料过程如图5所示。

图5 双层上下料架

机器人及手爪

⑴机器人：本次方案选用日系发那科机器人，型号定为R-2000iC，此型号机器人为通用机型，性价比高。机器人如图6所示，本体参数：最大工作半径2655mm，负载(指第6轴最前端负载)210kg，动轴数为6关节，加地轨为7关节，重复定位精度±0.05mm，本体重量为1090kg。

图6 发那科R-2000iC机器人

⑵机械手爪：机器人手爪为2套相同手爪并列布局，实现上下料切换，如图7所示。手爪为气动结构，手指为仿形设计，可稳定抓取工件杆部。本方案手爪采用杠杆原理，配置缸径 φ160mm气缸，通过拉紧松开杠杆，实现手爪开合抓取工件动作，抓取范围直径 φ45～ φ65mm。

图7 机械手爪结构

数控车床及钻孔机床

数控车床与钻孔机床为标准机型，钻孔装夹方式与车床基本相同不再详细介绍，如图8所示。

图8 数控车床及钻孔机床

安全围栏

由于本方案自动线为独立单元，整个单元有安全围栏防护(图9)。安全围栏为方形网格筛，用方管与钢筋焊接完成，此方案围栏未配置安全锁，在整线加工时操作人员会先锁好围栏再进行加工，防止对人员造成伤害。

图9 安全围栏

加工后的产品状态

加工后的产品如图10所示，表面光亮，尺寸精确，符合要求。

图10 加工后的产品

总结

⑴自动生产线按规定的程序或指令自动进行操作或控制，其目的是降低产品成本、提升产品质量。

⑵此自动线技术较先进，产品质量稳定、可靠，序间无在制品、无磕碰。

⑶有力改善了劳动条件，采用自动生产线可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来。

⑷缩减生产占地面积，产品是在生产线上运作，不会占用多余的位置。

⑸降低人工成本，缩短生产周期，单位时间内能够生产更多的产品，保证生产均衡性，有显著的经济效益。