数控自动送料

数控车床自动送料设计
一、综述
一、课题来源及意义
数控车床是机械加工的基本方法之一，它主要表现于加工轴类零件。

数控车床既能够制造尺寸很小的零件，又能够制造诸如汽车连轴、压力容器封头一类的大型零件；既能够制造一般尺寸公差等级和形状的零件，又能够制造精密（公差在微米级）和复杂形状的零件。

数控车床具有生产率高、加工成本低、操作简单、便于实现机械化与自动化等一系列优点，因此在汽车、机械、电机、航天航空、兵器等生产和发展具有十分重要的意义。

1、数控车床结构特点及加工特点
(1)结构特点
①传动链短。

沿纵、横两个坐标轴方向的运动是通过用伺服电动机直接与滚珠丝杠联结带动刀架运动，伺服电动机与丝杆间也可以用同步皮带或齿轮副联结。

②刚度大、转速较高，可实现无级变速。

数控车床的总体结构刚性好、抗震性好，能够使主轴的转速更高，实现高速、强力切削。

它多采用直流或交流主轴控制单元来驱动主轴，按控制指令做无级变速。

③轻拖动、润滑好、排屑方便，机床寿命较长。

刀架移动多采用安装在专用滚动轴承上的滚珠丝杠副；润滑大部分采用油雾自动润滑；一般都配有自动排屑装置。

④加工冷却充分、防护较严密。

一般都使用安全防护门实现全封闭或半封闭的加工状态，因此，可以将原来的单向冲淋冷却方式改变成多方位强力喷淋，从而改善了刀具和工件的冷却效果。

⑤自动换刀。

数控车床都配有自动换刀刀架实现自动换刀，以提高生产效率和自动化程度。

⑥模块化设计。

数控车床的制造多采用模块化设计。

(2)加工特点
①高精度。

数控车床控制系统的性能不断提高，机械结构不断完善，机床精度日益提高。

②高效率。

随着新刀具材料的应用和机床结构的完善，数控车床的加工效率、主轴转速、传动效率不断提高，使得新型数控车床的空运转时间大大缩短。

其加工效率
比普通车床提高2~5倍。

③高柔性和高可靠性。

数控车床适用70%以上的多品种、小批量零件的自动加工，具有高柔性。

随着数控系统的性能提高，数控车床的无故障时间迅速提高，具有高可靠性。

④工艺能力强。

数控车床既用于粗加工又能用于精加工，可以在一次装夹中完成其全部或大部分工序。

2、现代数控机床的发展与趋势
现代数控技术集机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体，是现代制造技术的基础，它的发展和应用，开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。

数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段，它的广泛使用给机械制造业生产方式、产业结构、管理方式带来深刻的变化，它的关联效益和辐射能力更是难以估计；数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等，都是建立在数控技术之上。

数控技术是国际商业贸易的重要构成，发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润的重要出口产品，世界贸易额逐年增加。

大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。

因此数控技术是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化是当今制造业的发展方向，机械制造的竞争其实质是数控的竞争。

二、数控车床自动送料系统设计方案
目前，我国大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。

为了提高工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代机械行业自动化生产的要求,针对具体生产工艺,结合
机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台上下料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。

本机械手主要与数控机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化和无人化。

随着机械制造工业的发展, 我国用步进电机驱动的经济数控车床日益增多, 为了适应多品种小批量生产及提高生产力的要求, 用户希望提供轴类零件上下料系统, 能够输送 15~ 25mm 的棒料, 并能卸下尺寸不等的轴类及片状零件, 价格应低于车床价的四分之一 ( 2 万元左右) 。

从用户的要求来说, 显然上下料系统应有柔性。

传统的凸轮连杆、开关型气缸等难以独立实现, 示教再现型机器人也难以完成将尺寸不等的轴类及片状零件卸入零件箱的任务。

另外, 上下料系统只是车床的附件,价格高了就没有人买。

我们借助机电一体化思想, 寻找机与电为一体的结合点, 用电子信息使刚性的气缸、连杆等实现柔性要求, 发生质的飞跃, 形成具有柔性的上下料系统, 获得很好的功能价格比。

自动送料装置按送进材料的形式分为送料装置与上件装置两类。

而送料装置又分棒料送料机和半成品送料机，半成品送料机又分细长轴和盘盖类，本设计属于细长轴类。

由于属于细长轴类，由于零件精度要求高，加工时间短，因此在送料过程中送料要快，振动要小，过程要平稳，从而不会影响到送料精度，所以本设计选用气缸为做为动力，从而送料精度也较有保障，效率也提高。

具体如图（1）
三、 数控车床自动送料系统的设计
(一) 机械控制系统的设计
(1)控制系统
该系统的全部控制功能由一台松下电工 FP3 型可编程控制器实现, 用于控制步进电机的的脉冲单元 8个, 控制系统原理框图如图 2 所示。

图 2 控制系统原理框图
（2） 控制流程及流程图
PLC 的程序运行方式是循环扫描方式,
而非顺序执行方式, 因此任何一个机械手在其条件满足后即开始动作, 各手之间是并行的, 当然有的手与手之间存在因果或制约关系, 如 A 拆箱手与 B 拆箱手在同时工作时, 必须等对方一个动作结束且手回原位后才能开始自己的动作, 而自己开始动作即告对方等待。

控制流程图如图 3 所示。

591、数控车床2、液压三爪卡盘3、工件4、推杆5、车刀6、托架7、推料杆8、送料杆9、工件托盘10、气缸图1
图 3 控制流程
(二）自动送料的作业流程
上下料系统包含隔料器放出一根棒料、气动机械手向前送进棒料及退回原位时, 都用电磁铁实现简单的开关控制。

机械手送料与车床卡盘张开、卡紧及车刀运动有联锁关系, 其程序如下: 车床启动卡盘张开刀架按输入数控系统的加工零件尺寸运动到初始位置隔料器放出一根棒料机械手向前送进棒料开关发出棒料到位信号车床卡盘夹紧棒料加工零件车刀切下零件刀架按输
入数控系统的加工零件尺寸运动到初始位置卡盘张开机械手向前送进棒料开关发出棒料到位
信号车床卡盘夹紧棒料按上述程序循环加工, 一根棒料被加工完毕后控制系统发出信号机械手退回原来位置隔料器放出下一根棒料机械手再向前送棒料循环。

卸零件机械手由大拖板及中拖板带动, 不需将工作单独编入控制系统从原点开始，按下启动键，且有上下料命令，则水平液压缸开始前伸并进行伺服定位，前伸到位后，停止前伸；→下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降，同时张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，同时手爪夹紧，抓住工件；→上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；→ PLC开始输出高速脉冲，驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动；→接着下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后，碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，机械手到达卡盘中心高度；→机械手开始水平定位后缩，将工件装入机床卡盘；→当工件装入到位后，卡盘收紧；→机械手松开手爪，准备离开；→接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；→ PLC启动高速脉冲驱动机械手作顺时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动，机械手回到原点待命；→机床进行加工。

当数控机床加工完一个工件时，发送下料命令给机械手，机械手接到命令后，PLC马上输出脉冲驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动；→下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降且张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下
降电磁阀断电，下降停止且手爪夹紧，夹紧已加工好的工件；→机床卡盘松开；→机械手开始前伸，将工件从机床上取出，准备运走；→上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；→ PLC输出高速脉冲，驱动机械手顺时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动；→下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止；→接着手爪柱塞缸电磁阀通电，手爪张开，放下工件准备离开；→接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止同时手爪也闭合复原；→接着机械手水平手臂开始后缩，准备回原点，当后缩到位时，后缩停止，机械手回到原点，一个上下料过程结束；→机械手在原点等待命令，准备下一个工作循环。

机械手的每次循环都从原点位置开始动作。

(三）PLC控制
机械手自动上下料由 PLC 可编程逻辑控制器协调控制 , 经各气缸配合进行动作处理。

整个自动上下料过程包括五大部分: (1) 工件输送；(2) 机械手送料；(3) 卡盘上下料；(4) 机械手推送料； (5) 零件送到下一工序。

其中, (1)、(5) 部分与其他部分、数控加工并行执行；(2)、(3)、(4)部分与数控加工同时进行。

下面详细介绍卡盘上下料的工作原理和PLC 设计框图, 其余部分进行简单介绍。

(1) 工件输送采用水平输送、倾斜输送、提升输送等方式。

水平输送可输送不同物品,并且可以采用不同输送速度、不同输送倾斜角度, 通过使用带有花纹的传输带或水平挡板, 提高传输带对工件的抓着稳定性,防止工件滑散、甩脱, 保证准确的运行轨迹；提升输送占据空间小, 对小型圆柱类零件有较好效果。

在PLC程序设计时,如所需加工的工件有方向性, 编辑的PLC程序除控制工件的转向定位,还应考虑到定位的可靠性。

在一次定位不准时,可以重新转向定位一到两次, 以保证循环中不会因工件输送定位偶然出错而停止, 如图 4 所示
图 4
(2) 编程
机械手控制程序的编写方式很多, 各人有各人的习惯, 这里采用的是用移位寄存器指令编写控制程序, 如图 5所示
图5 PLC程序
四、调试及试运行
气缸推动送料杆到主轴中心，推料杆推动工件到液压三爪卡盘由三爪卡盘夹紧工件，推料杆及送料杆退回，由车刀加工工件，加工完三爪卡盘松开工件由4号推杆推出工件。

机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种。

1.手动操作：就是用按钮作机械手的每一步运动进行单独的控制。

当选择升／降按钮时，按下启动按钮，机械手上升；按下停止按钮时，机械手上升。

当选择正转/逆转按钮时，按下启动按钮，机械手顺时针转动，而按下停止按钮时，机械手逆时针转动。

同理，当选择夹紧/放松按钮时，按下启动按钮，机械手爪夹紧，而按下停止按钮时，手爪松开。

2.自动操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手的动作将自动的、连续的周期性循环。

在工作中若按下停止按钮，机械手将继续完成一个周期动作后，回到原点位置。

如图 6-10所示
送料至卡盘中心
如图 6
工件送入卡盘并夹紧如图 7
各部位退回如图 8
开始加工零件如图 9
自动换零件循环加工
如图 10
四、结论
本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科三年所学知识进行整合，完成一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。

机械手采用可编程序控制器控制,可以实行手动调整、手动及自动控制。

系统结构紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低。

PLC有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，只要对I/O点的接线稍作修改，或对I/O重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。

经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况
参考文献：
[1] 吴振顺主编气压传动与控制哈尔滨工业大学出版社
[2] PROGRAMMABLE CONTROLLER FP3/ FP5 Matsushita ElectricWorks, Ltd
[3] 汪晓光等编著可编程控制器原理及应用机械工业出版社
致谢
感谢指导老师苏桂英。

没有苏老师在关键时刻的指导和激励，从课题的选择到项目的最终完成，苏老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。

苏老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想上也给我以无微不至的关怀，在此谨向郑老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

我无法想象自己能坚持不懈地解决课题中的各个难点，最终调试通过全部模块，完成了该任务。

在解决这类实际课题的过程中，我从老师那里学到了很多专业知识。

我的自信心也在不断的磨练中得到加强，这是苏老师给我的在知识和能力之外的更重要的东西，我将毕生受益于此。

还要感谢上海松川远亿机械有限公司文万军工程师的支持。

在有关数控车床自动送料的研制设计方案指定中，文工给了我很多的指导，教会了我很多经验性的东西，这将是我一生的财富。

最后还要感谢上海松川远亿机械有限公司工程部同事们，没有他们的帮助，我的项目不可能走到现在这一步。

在此一并表示感谢。