盘类零件自动化加工系统设计

盘类零件自动化加工系统设计
徐焕金
【摘要】盘类零件种类多样,应用广泛,在机械设备中具有重要的作用.以圆盘类零件为研究对象,结合工程实践,对其自动化上下料系统进行介绍,分析了其机构组成和设计思路,设计了自动上下料机械机构和电气控制系统,具有可行性.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2019(048)005
【总页数】4页(P103-106)
【关键词】自动化;上料;下料;系统设计
【作者】徐焕金
【作者单位】河源理工学校,广东河源 517000
【正文语种】中文
【中图分类】TG659
0 引言
盘类零件是由多个端面、深孔、曲面及外轮廓组合成的结构相对复杂的零件，在机械设备中主要起支承和连接作用，目前在实际应用领域，很多零件都可以归纳为圆盘零件范围，例如最常见的齿轮、轴承等等。

当前，随着现代化工业的迅猛发展，零件制造的全自动化也成为用户的迫切需求。

1 圆盘类零件
某厂采用CK6136-750型数控机床加工皮带轮用圆盘类零件，如图1所示，内表面为加工面。

车削加工仅需15 s，而工人上下料却需要1～3 min，另外该零件属于特大批量生产，需要工人不断地上料和下料，劳动强度很大。

因此急需研制一套自动上下料机构以满足实际生产需要[1]。

以SolidWorks软件为开发平台，通过二次开发数控车床辅助功能，采用弹簧气动卡盘快速、准确装夹工件，工作过程中主轴带动工件旋转，CNC系统控制切削，加工完成后通过气缸顶出工件，送入卸料通道，实现自动上料、下料。

文中介绍了该设备的工作原理及主要结构，为同类机床指出了进一步的改进方向[2]。

图1 圆盘类加工零件示意图
2 上料/下料自动化机构原理分析
2.1 上料/下料自动化机构设计思路分析
工件形状规则，定位及夹紧条件适合采用自动化设备。

采用多层直线型料仓，可以储备较多工件坯料，基于重力作用，通过每一层所设置的倾斜度，让工件实现自动上料，在加工完毕之际，设备驱动接料装置靠拢，通过专用轨道让工件滑出，实现工件的收集，在这一过程中，上料和下料的自动化功能，通过数控系统辅助功能二次开发完成，实现上料→装夹→车削→下料全过程自动化，图2展示的为上料/下料自动化结构原理图。

2.2 上料/下料自动化机构组成研究
在上料/下料自动化机构中，自动上料设备在机床床头箱内侧安装固定，具体组件包括上料机构、坯料推进设备、上料台架，在上料过程中，通过坯料的自重自动进入到上料气缸凹槽内，随后气缸以X轴的方向正向运动，向主轴轴线进行坯料输送，然后在下料气缸伸出将碟形弹簧压缩，夹头孔打开，等待坯料进入。

安装在尾座上的坯料推进气缸将坯料推入弹簧夹头孔中，下料气缸退回，工件被夹紧，此刻上料流程结束[3]。

下料自动化机构中，部件包含下料/接料气缸、工件夹头、检测开关等，在机床完
成工件加工之后，系统自动控制下料气缸身处，将碟形弹簧下压，松开弹簧上的工件夹头，同一时间内弹簧下方接料气缸移动到位，随后将工件弹入到下料仓，自动下料流程结束。

图2 上料/下料自动化结构原理图
2.3 上料/下料自动化动作流程研究
整个上料/下料自动化工作流程为：料仓工作人员人工上料——上料气缸进/退——下料气缸进/退——夹紧加工工件——退料气缸退——车床加工工件——下料
气缸进——松开碟形弹簧夹头——接料气缸移动——弹出加工工件——下料、接料气缸退——进入下一次执行循环。

为了能够让本次设计的上料/下料自动化机构可以在运行阶段始终与机床保持协调、连续运行状态，在设计阶段需要采用PLC控制器来控制上料/下料自动化机构中的相关设备，但是若是额外采购PLC控制系统，不仅需要耗费较高成本，同时机床
加工设备的空间要求也较高，为节省成本，本次研究中作者针对CNC机床辅助功能，在原有功能上开展二次开发，使用自带的PLC来实现上料/下料自动化机构，同时基于过译码将上料过程开发成辅助功能M90、下料过程开发成辅助功能M91写入机床CNC中，加工过程简化为：调用M90→车削加工→调用M91，大大节
约了成本，缩小了空间[4]。

3 自动上下料机构设计
自动上料机构固定于机床床头箱的内侧，由上料台架、上料机构、坯料推进机构组成。

在SolidWorks软件中对各零部件进行设计，并进行装配干涉检测，装配完成后机构如图3所示。

为了保证动作的可靠性及气路连接的简便性，工人放料通过斜坡滑道完成。

在设计阶段，将上料/下料自动化装置的4个气缸使用4个内置磁环气缸取缔，利用三位
四通电磁阀去控制设备中的气路，图4为启动回路设计原理图。

图3 自动上下料结构
图4 气动回路设计原理图
4 上料/下料自动化装置电气控制系统设计
上料/下料自动化装置的电气控制系统，涵盖两大部分，第一部分为电气控制，第二部分为数控辅助功能，设计期间，在充分考虑零件具体加工流程与各气缸工作流程的基础上合理分配数控系统[5]。

4.1 信号分析与I/O地质分配研究
在上料/下料自动化系统中，所有输入到PLC的检测信号，都是通过接近开关进行信号获取，站在安全角度分析，PLC控制器在接近开关产生作用期间输出“1”，若接近开关处于故障状态或是不产生作用期间，PLC输出始终保持0，通过限位开关将气缸相应位置向PLC控制器中输入，PLC输出则是通过继电器对各个气缸使电磁阀加以控制来实现相关设备停止、启动操作。

图5为上料/下料自动化装置电气系统框图。

图5 料/下料自动化装置电气系统框图
此外，因该系统是在原有上料/下料系统上做出二次开发，因此需要找到未定义的输入/输出地址，开展I/O地址分配。

4.2 上料/下料自动化系统PLC程序设计
图6展示的是上料/下料自动化程序设计流程。

图6 自动上下料设计流程
基于上料/下料自动化系统的控制需求，系统需要具备初始化/服务，手动自动控制功能、紧急停机功能、互锁控制功能，表1是控制系统PLC功能表。

4.3 系统二次开发辅助功能
CK6136-750型数控机床采用广数GSK980TDB系统，CNC的编程指令在内部通
过数据块与自带PLC进行信息交换，通过PLC输出、输入接口连接整套加工设备的的电气控制系统、机床设备、伺服控制系统，进而实现机床M、S、T等辅助功控制操作[6]。

表2展示的为CNC系统中M辅助功能接口设置。

表1 上料/下料自动化系统PLC功能表功能描述系统初始化功能系统复位功能手动模式动作互锁系统急停自动模式功能动作要求描述存储单元处于清零状态，恢复到系统基本状态在机床启动、急停状态下，基于复位功能可使设备恢复为初始状态，机床自动回零系统上料、下料气缸的动作通过操作人员手动控制、手动调试在系统运行阶段，一旦发现相互干涉的功能，便调用功能互锁功能，有效避免因功能干涉造成设备损坏。

在系统出现运行错误等特殊情况下，设备操作员可通过急停按钮让系统立即停止一切动作，同时系统自动发出警报。

在设备运行期间，操作人员按下自动模式按钮后，系统进入自动上料、自动下料、自动加工模式，当操作人员按下停止按钮，推出自动模式。

表2 M辅助功能接口设置表功能描述M辅助功能CNC系统-PLC接口设置选通信号F7.0数据块F0000—F0255分配结束信号F1.3 PLC—CNC G4.3
通过译码指令，设定M90对应F150.0，M91对应F150.1，用F150.0作为自动
上料程序的启动信号，F150.1作为自动下料程序的启动信号，将自动上料程序和
自动下料程序写入CNC系统辅助功能中，完成M90和M91辅助功能的开发[7]。

表3数据为数控加工程序。

表3 数控加工程序表译码指令M90 G04 M8 M3 T0101%N0000 N0010 N0020 N0030 N0040……数控加工程序调取系统上料程序，驱动上料、退料、下料气缸
运动经过2s延时，确保推料气缸处于完全退回状态打开切削液，系统进入零件循环加工程序M30 N0170 M91 M5......N0160 N0150.......完成零件加工，程序结束，返回程序头开展下一轮零件加工程序循环操作启动下料自动化程序，驱动下料、接料气缸开展动作主轴运动，关闭切削液，完成零件加工，系统结束运行......
通过对CNC系统自带PLC完成自动上下料辅助功能的开发，设计了与零件加工程序相匹配的数控辅助及电气控制系统[8]。

在加工过程中，除了工件进入料仓需要通过斜坡滑道人工操作以外，其他工序均可通过机床自动完成，能缩短生产周期，提高加工精度，节约人力资源，真正实现了高效率生产[9]。

5 结束语
综上所述，CK6136-750型数控机床是CNC二轴联动控制的现代化加工机床，可进行多次重复循环加工。

为实现多工序数控加工过程的自动化，设计了上述自动系统，实现了上料、加工、下料的一体化控制，不仅降低加工成本，同时还缩短生产加工的时间，提高生产效率，具有广泛的应用前景。

参考文献：
【相关文献】
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