帶工業機器人的曲軸四工位粗車加工數控柔性生產線的製作方法
2023-05-07 02:45:16 2
帶工業機器人的曲軸四工位粗車加工數控柔性生產線的製作方法
【專利摘要】本發明涉及帶工業機器人的曲軸四工位粗車加工數控柔性生產線，包括上料道、下料道、上料機械手、下料機械手、機械手軌道、專機一、專機二、專機三和專機四，上料機械手和下料機械手在控制器的控制下控制專機一、專機二、專機三和專機四的自動上料和自動下料；上料機械手和下料機械手均是作為獨立單元安裝在機械手軌道上。本發明的優點是：取代人工生產線和數控單機生產，提高曲軸粗加工的生產效率和自動化程度，以數控加工和取放料自動化來改善勞動條件，解決用工緊張的矛盾，降低產品不良率；各專機單元採用模塊化設計，工業機器人系統與數控專機之間為分離式控制模式，相互不影響，當工業機器人故障時，也可由人操作運轉。
【專利說明】帶工業機器人的曲軸四工位粗車加工數控柔性生產線
【技術領域】
[0001]本發明涉及智能柔性生產領域，尤其涉及適用於加工曲軸的一種帶工業機器人的曲軸四工位粗車加工數控柔性生產線。
【背景技術】
[0002]曲軸是發動機上的一個重要的機件，其材料是由碳素結構鋼或球墨鑄鐵製成的，它主要有兩個重要部位:主軸頸和連杆頸。主軸頸被安裝在缸體上，連杆頸與連杆大頭孔連接，連杆小頭孔與汽缸活塞連接，這是一個典型的曲柄滑塊機構。發動機工作過程中，活塞經過混合壓縮氣的燃爆，推動活塞做直線運動，並通過連杆將力傳給曲軸，由曲軸將直線運動轉變為旋轉運動，其結構見附圖1，包括主軸頸(al、a2、a3、a4、a5)、連杆頸(bl、b2、b3、b4)和扇板(cl、c2、c3、c4)。
[0003]原有的曲軸粗車加工分^^一道加工工序，具體工序如下:
[0004]1、精車大端(靠近al的軸端)及主軸；2、精車小端(靠近a5的軸端)及扇板；3、車扇板開檔；4、粗車主軸頸；5、粗車bl，b4連杆頸；6、粗車b2、b3連杆頸；7、精車主軸頸R槽；8、精車bl，b4連杆頸R槽；9、精車b2、b3連杆頸R槽；10、鑽大端孔；11、鑽小端孔攻絲鍃角。
[0005]目前國內曲軸生產線多數仍由普通工具機和專用工具機組成，生產效率和自動化程度相對較低。粗加工設備多採用多刀車床車削曲軸主軸頸及連杆頸，工序的質量穩定性差，容易產生較大的內應力，且難以達到合理的加工餘量。這種老式生產線主要的特點就是普通設備太多，按加工球墨鑄鐵曲軸來計算，一條生產線有35?40臺設備。粗加工採用普通車床加工主軸頸和連杆頸，然後數控精車主軸頸和連杆頸，再經過多道工序的磨削方轉入精加工工序，導致產品周轉線長、場地佔用面積大，其生產效率完全是靠多臺設備分解工序和餘量來提高的。
[0006]進入21世紀以後，發動機曲軸在製造工藝、刀具等方面都發生了巨大的變化。領導了近半個多世紀的多刀車削工藝和手工磨削工藝，由於加工精度低和柔性差等原因，正在逐步退出歷史舞臺，以後曲軸粗加工的發展趨勢將是廣泛採用數控車床、數控內銑床、數控車拉床等先進設備對主軸頸、連杆軸頸進行數控車削、內銑削、車-拉削加工，以有效減少曲軸加工的變形量。
[0007]隨著第三次工業革命帶來的技術飛速進步，智能製造正深度刷新著工業生產格局。在生產中採用工業機器人(機械手)代替人工操作，構成自動化生產單元或組成全自動生產線，是現代化智能製造的重要發展方向。
[0008]機器人產業分析指出，每萬名生產工人佔有的機器人數量，居全球第一的日本是306臺，韓國287臺，德國253臺，美國130臺，而我國僅為15臺。隨著汽車工業近幾年來的快速發展，曲軸這種大批量生產類型產品要求生產效率更高、生產質量更穩定。在國外，這類零件的機器人生產線已經成熟，除人工完成少量焊接散件外，基本上實現了全自動化生產。而在國內，這種自動化程度極高的生產線還尚未出現，尤其機械加工中的重型零部件，在搬運、裝夾時的難度都很大，佔用大量的生產時間，而且裝夾零件的質量不是很高，廢品率也相對較高。
【發明內容】
[0009]為克服現有技術的不足，本發明的目的是提供一種帶工業機器人的曲軸四工位粗車加工數控柔性生產線，將數控專機與工業機器人系統有機地結合起來，構成先進位造系統進行曲軸的粗加工，取代人工生產線和數控單機生產，提高曲軸粗加工的生產效率和自動化程度，以數控加工和取放料自動化來改善勞動條件，同時，採用偏心夾具實現對曲軸的粗加工。
[0010]為實現上述目的，本發明通過以下技術方案實現:
[0011]帶工業機器人的曲軸四工位粗車加工數控柔性生產線，包括上料道、下料道、上料機械手、下料機械手、機械手軌道、專機一、專機二、專機三和專機四，上料機械手和下料機械手在控制器的控制下控制專機一、專機二、專機三和專機四的自動上料和自動下料；上料機械手和下料機械手均是作為獨立單元安裝在機械手軌道上。
[0012]所述的上料道和下料道是帶工裝的積放式輸送料道結構，包括抓取架、鏈條，抓取架固定在鏈條上，工裝或零件放在抓取架上，由電機驅動鏈條帶動工裝或零件依次行走至上料位或下料位，保證機械手在抓取零件時的準確定位。
[0013]所述的專機一、專機二、專機三、專機四的結構相同，均包括底座、主軸座、副主軸座、同步帶輪一、轉動杆、防護罩和刀塔，主軸座上安裝主軸，副主軸座內設有副主軸，保護罩設置在專機外部，保護罩外部設有自動門，保護罩頂部設有上料天窗。
[0014]所述轉動杆通過聯軸器、同步帶輪二與副主軸構成機械式聯動結構，主軸動力通過同步帶輪一、轉動杆、聯軸器、同步帶輪二傳動到副主軸，帶動副主軸同步運轉。
[0015]所述主軸、副主軸上均設有偏心夾具。
[0016]所述的偏心夾具為液壓夾具，包括拉杆連接螺釘、主軸轉接板、限位塊、本體、夾具防護罩、油壓夾頭，本體上設有與油壓夾頭連接的主軸轉接板，拉杆連接螺釘位於主軸轉接板的中心，夾具防護罩內設有主軸轉接板、限位塊，油壓夾頭與限位塊偏心連接。
[0017]所述的油壓夾頭與夾具防護罩之間設有配重塊和定位塊，配重塊與定位塊插接，配重塊用以平衡曲軸偏心旋轉時的重量偏差，定位塊用來做曲軸找正的基準。
[0018]所述的生產線實現的曲軸四工位粗車加工方法，四道專機在控制程序下完成如下加工步驟:
[0019]I)待加工件由人工擺放到上料道上，系統通電後，先判斷機械手是否在參考點上，如不在，手動將機械手返回到參考點，依次檢查機械手上是否有料以及專機一是否發出上料信號；
[0020]2)當專機一發出上料信號後，上料手移到上料道將上料位的曲軸坯送到專機一；當專機一執行完加工程序後，發出加工完成信號，下料手取下加工完成的工件；
[0021]3)當專機二的上料信號發出後，下料手將專機一取下的工件給專機二上料，當專機二執行完加工程序後，發出加工完成信號，下料手取下專機二加工完成的工件；
[0022]4)當專機三的上料信號發出後，下料手將專機二取下的工件給專機三上料，當專機三執行完加工程序後，發出加工完成信號，下料手取下專機三加工完成的工件；
[0023]5)當專機四的上料信號發出後，下料手將專機三取下的工件給專機四上料，當專機四執行完程序，發出加工完成信號，下料手取下專機四加工完成的工件，放置到下料道上，完成曲軸的四工位粗車加工。
[0024]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0025]取代人工生產線和數控單機生產，提高曲軸粗加工的生產效率和自動化程度，以數控加工和取放料自動化來改善勞動條件，解決用工緊張的矛盾，降低產品不良率；各專機單元採用模塊化設計，工業機器人系統與數控專機之間為分離式控制模式，相互不影響，當工業機器人故障時，也可由人操作運轉。
[0026]1、實現了智能裝備的信息化、智能化和網絡化，提高生產效率和自動化水平。
[0027]2、適用於類似汽車零件等大批量生產類型產品，可加工形狀複雜的工件，能最大限度地提高企業的勞動生產率。
[0028]3、工業機器人系統在數控工具機側面的地面安裝，與數控工具機沒有機械上的連接，通過電纜進行信息交換和控制，通過編程器對機器人進行編程操作和動作軌跡等調整，能適應各種工件形狀和加工要求。
[0029]4、從安全生產、產品質量的穩定性、勞動強度和生產效率等各方面進行比較，這種自動化生產方式有較大優勢，也是數控加工自動取放料方式的發展趨勢。
[0030]5、這種自動化生產線短期存在一次性投資大的缺點，但從長遠來看，特別是工人的用工成本不斷增加和用工緊張等因素，工業機器人將會更經濟、適用，同時也適用己有生產線的自動化改造。
[0031]6、偏心夾頭配合工具機上的標準液壓夾頭，能實現多種不同規格曲軸拐徑的偏心加工。
[0032]7、正副主軸結構，能減小工件的扭曲力，提高工件精度，相比其他正副主軸分別採用電機控制的方式，可以節約製造成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1是曲軸結構示意圖。
[0034]圖2是本發明生產線結構示意圖。
[0035]圖3是下料位的曲軸狀態。
[0036]圖4是上料過程的曲軸狀態。
[0037]圖5是專機結構示意圖。
[0038]圖6是偏心夾具結構示意圖。
[0039]圖7是偏心夾具結構示意圖。
[0040]圖8是偏心夾具結構示意圖。
[0041 ]圖9是偏心夾具夾持工件狀態示意圖。
[0042]圖10是自動門示意圖。
[0043]圖11是上料天窗示意圖。
[0044]圖12是曲軸加工柔性線機械手邏輯控制流程圖。
[0045]圖中:1_上料道2-上料機械手3-下料機械手4-下料道5-底座6_機械手軌道7-電控箱8-鐵肩車9-專機一 10-專機二 11-專機三12-專機四13-主軸座14-同步帶輪一 15-轉動杆16-副主軸座17-聯軸器 18-防護罩19-刀塔20-同步帶輪二 21-曲軸 22-偏心夾具 22-1-拉杆連接螺釘 22_2_主軸轉接板22-3-油壓夾頭22-4-限位塊22-5-本體22_6_夾具防護罩23-配重塊24-定位塊25-副主軸偏心夾頭26-下料手抓取架27-下料手固定架28-支架29-定位板30-上料手抓取架31-自動門32-上料天窗。
【具體實施方式】
[0046]下面結合說明書附圖對本發明進行詳細地描述，但是應該指出本發明的實施不限於以下的實施方式。
[0047]見圖2-12，帶工業機器人的曲軸21四工位粗車加工數控柔性生產線，包括上料道1、上料機械手2、下料機械手3、下料道4、機械手軌道6、電控箱7、鐵肩車8、專機一 9、專機二 10、專機三11、專機四12，上料機械手2和下料機械手3在控制器的控制下控制專機一9、專機二 10、專機三11和專機四12的自動上料和自動下料；上料機械手2和下料機械手3均是作為獨立單元安裝在機械手軌道6上。
[0048]上料道I和下料道4是帶工裝的積放式輸送料道結構，包括抓取架、鏈條，抓取架固定在鏈條上，工裝或零件放在在抓取架上，由電機驅動鏈條帶動工裝或零件依次行走至上料位或下料位，保證機械手在抓取零件時的準確定位。
[0049]專機一 9、專機二 10、專機三11、專機四12的結構相同，均包括底座5、主軸座13、同步帶輪一 14、轉動杆15、副主軸座16、聯軸器17、防護罩18、刀塔19、同步帶輪二 20、偏心夾具22，主軸座13上安裝主軸，SU主軸座16上安裝副主軸，主軸與副主軸為機械式聯動結構，主軸動力通過同步帶輪一 14、轉動杆15、聯軸器17、同步帶輪二 20傳動到副主軸，帶動副主軸同步運轉，主軸上連接偏心夾具22，保護罩設置在專機外部起防塵確保安全的作用，保護罩外部設有自動門31，保護罩頂部設有上料天窗32 ;主軸、副主軸上均設有偏心夾具22。
[0050]偏心夾具22為液壓夾具，包括拉杆連接螺釘22-1、主軸轉接板22_2、限位塊22_4、本體22-5、夾具防護罩22-6、油壓夾頭22-3，本體22_5上設有與油壓夾頭22_3連接的主軸轉接板22-2，拉杆連接螺釘22-1位於主軸轉接板22-2的中心，夾具防護罩22_6內設有主軸轉接板22-2、限位塊22-4，油壓夾頭22-3與限位塊22_4偏心連接。
[0051]油壓夾頭22-3與夾具防護罩22-6之間設有配重塊23和定位塊24，配重塊23與定位塊24插接，配重塊23用以平衡曲軸21偏心旋轉時的重量偏差，定位塊24用來做曲軸21找正的基準。
[0052]曲軸21四工位粗車加工方法，四道專機在控制程序下完成如下加工步驟:
[0053]I)待加工件由人工擺放到上料道上，系統通電後，先判斷機械手是否在參考點上，如不在，手動將機械手返回到參考點，依次檢查機械手上是否有料以及專機一是否發出上料信號；
[0054]2)當專機一發出上料信號後，上料手移到上料道將上料位的曲軸坯送到專機一；當專機一執行完加工程序後，發出加工完成信號，下料手取下加工完成的工件；
[0055]3)當專機二的上料信號發出後，下料手將專機一取下的工件給專機二上料，當專機二執行完加工程序後，發出加工完成信號，下料手取下專機二加工完成的工件；
[0056]4)當專機三的上料信號發出後，下料手將專機二取下的工件給專機三上料，當專機三執行完加工程序後，發出加工完成信號，下料手取下專機三加工完成的工件；
[0057]5)當專機四的上料信號發出後，下料手將專機三取下的工件給專機四上料，當專機四執行完程序，發出加工完成信號，下料手取下專機四加工完成的工件，放置到下料道上，完成曲軸的四工位粗車加工，各專機產生的鐵肩由鐵肩車8收集。
[0058]見圖3，是下料位的曲軸狀態。下料手抓取架26分別用來抓取a2、a4主軸頸，下料手固定架27用來定位b4連杆頸，這樣能保證曲軸21在運輸過程的姿態平衡，方便向專機上料。
[0059]見圖4，是上料過程的曲軸狀態。支架28支撐曲軸21的al、a5主軸頸，支架28和定位板29固定在上料道I的工裝板上，定位板29固定曲軸21的b4連杆頸。支架28固定a2、a4主軸頸。
[0060]料道的動作過程如下:曲軸坯隨料道移動至上料位遇到傳感器，傳感器檢測到信號後，分擋料裝置將上料位的曲軸坯與後面的曲軸坯分開，並將上料位的曲軸坯定位。
[0061]然後上料道I發出物料準備完成的信號，等待機械手下來抓取。當傳感器檢測到上料位無料時，分擋料裝置重複以上動作，將曲軸坯區分開，依次循環。
[0062]上料道I所具有的功能:
[0063]I)輸送功能:完成對零件的輸送。
[0064]2)分料功能:完成對零件的分離，以便於機械手上料時上料位只有一個工件。
[0065]3)儲料功能:有一定的儲料能力，用於儲存幾個工件，使自動線不會出現無料加工的現象。
[0066]4)檢測功能:料道可以檢測工件是否到位，是否定位完成；檢測上料位是否有料。
[0067]5)通信功能:料道可以與工具機、機械手相互通信。
[0068]6)報警功能:當上料道I無料時，料道可發出報警信號，提醒工人給自動線續料。
[0069]見圖5，專機為SL-208PLUS數控車床，具體結構由底座5、主軸座13、同步帶輪一
14、轉動杆15、副主軸座16、聯軸器17、防護罩18、刀塔19、同步帶輪二 20組成。它採用一種主副軸機械式聯動結構，主軸動力通過同步帶輪一 14、轉動杆15、聯軸器17、同步帶輪二 20連接副主軸座16，形成主軸和副主軸聯動結構，這種重載結構高剛性，具有機械自鎖功能，能減小工件的扭曲力，提高工件精度，相比其他正副主軸分別採用電機控制的方式，可以節約成本。
[0070]見圖6-圖8，專機的偏心夾具22為液壓偏心夾頭，包括拉杆連接螺釘22-1、主軸轉接板22-2、限位塊22-4、本體22-5、夾具防護罩22_6、油壓夾頭22_3，本體22_5上設有與油壓夾頭22-3連接的主軸轉接板22-2，拉杆連接螺釘22-1位於主軸轉接板22_2的中心，夾具防護罩22-6內設有主軸轉接板22-2、限位塊22-4，油壓夾頭22_3與限位塊22_4偏心連接。這種夾具能在機械手上料、下料信號的控制下實現自動夾緊、鬆開功能以配合上下料動作；保證重複定位精度±0.04mm。加工曲軸時保證加工面與主軸、副主軸同心，利用油壓夾頭22-3夾緊非加工面，對曲軸固定。
[0071]見圖9，是偏心夾頭夾持工件狀態示意圖，配重塊23用來平衡曲軸21偏心旋轉時的重量偏差，定位塊24用來做曲軸21找正的基準，這樣可保證自動上料時的找正，提高上料的速度和位置準確。
[0072]見圖10、圖11，數控專機具備前面自動門31及頂部上料天窗32，均為推拉式結構，自動門31控制模塊用於與機械手通信；自動門31上配有電子鎖，在加工過程中無法打開，在上料天窗32未打開時也無法打開。上料天窗32受氣動控制，具有最短的行程，可節省工序時間。配合多重安全急停裝置，可有效避免意外事故發生，確保操作人員和工具機工件的安全。
[0073]圖2中，控制箱可以採用PLC+觸控螢幕的硬體結構也可以採用數控系統的控制方式，開發設計更加靈活，操作更加人性化，維護方便。
[0074]專機採用了模塊化設計思路，每臺工具機均配有獨立的控制系統，液壓系統，獨立供油供水，每臺數控專機可以獨立完成加工內容，單元內的工業機器人與數控工具機採用分離式的控制，相互各不影響，即使機器人系統出現故障，工具機也可由人工繼續操作運轉，有利於設備的維護和檢修。
[0075]控制系統是整條柔性單元的大腦，控制著每部分機構，即可以獨立工作，也可以協調合作，順利完成生產，控制箱功能:①對機器手運行軌跡進行編程；②對各部分機構獨立操作；③提供必要的操作指導及診斷信息；④能協調機器人與工具機之間的工作過程；⑤控制系統具有豐富的I/o 口資源，可擴展多種控制模式，如:自動，手動，停止，急停，故障診斷。
[0076]機械手軌道6採用滾輪式導軌。滾輪本身直徑大，同一接觸點與導軌的接觸次數少。與直線導軌滑塊相比，此類導軌對導軌防護環境的要求較低，在使用環境差的加工工廠內，滾輪式導軌更加適合。
[0077]機械手軌道6託板整體開模鑄造重載結構、高剛性。將Y軸Z軸的傳動組件集中設計到一塊託板上，這種結構方式是將電機、減速機、滑塊、齒輪等轉動部件在一個託板上集約安裝。整體開模鑄造可較大的減輕運動部件的重量，增強了 Z軸的鋼性，提高了載荷能力，該結構安裝簡單可靠，維護方便、減少零散的管線的分布，簡潔美觀。我們將集中潤滑系統也集中在滑板上，極大的減少了潤滑油管的長度，使其潤滑油的分布更加合理充分，減少了潤滑系統的故障。
【權利要求】
1.帶工業機器人的曲軸四工位粗車加工數控柔性生產線，其特徵在於，包括上料道、下料道、上料機械手、下料機械手、機械手軌道、專機一、專機二、專機三和專機四，上料機械手和下料機械手在控制器的控制下控制專機一、專機二、專機三和專機四的自動上料和自動下料；上料機械手和下料機械手均是作為獨立單元安裝在機械手軌道上。
2.根據權利要求1所述的帶工業機器人的曲軸四工位粗車加工數控柔性生產線，其特徵在於，所述的上料道和下料道是帶工裝的積放式輸送料道結構，包括抓取架、鏈條，抓取架固定在鏈條上，工裝或零件放在抓取架上，由電機驅動鏈條帶動工裝或零件依次行走至上料位或下料位，保證機械手在抓取零件時的準確定位。
3.根據權利要求1所述的帶工業機器人的曲軸四工位粗車加工數控柔性生產線，其特徵在於，所述的專機一、專機二、專機三、專機四的結構相同，均包括底座、主軸座、副主軸座、同步帶輪一、轉動杆、防護罩和刀塔，主軸座上安裝主軸，副主軸座內設有副主軸，保護罩設置在專機外部，保護罩外部設有自動門，保護罩頂部設有上料天窗。
4.根據權利要求3所述的帶工業機器人的曲軸四工位粗車加工數控柔性生產線，其特徵在於，所述轉動杆通過聯軸器、同步帶輪二與副主軸構成機械式聯動結構，主軸動力通過同步帶輪一、轉動杆、聯軸器、同步帶輪二傳動到副主軸，帶動副主軸同步運轉。
5.根據權利要求4所述的帶工業機器人的曲軸四工位粗車加工數控柔性生產線，其特徵在於，所述主軸、副主軸上均設有偏心夾具。
6.根據權利要求5所述的帶工業機器人的曲軸四工位粗車加工數控柔性生產線，其特徵在於，所述的偏心夾具為液壓夾具，包括拉杆連接螺釘、主軸轉接板、限位塊、本體、夾具防護罩、油壓夾頭，本體上設有與油壓夾頭連接的主軸轉接板，拉杆連接螺釘位於主軸轉接板的中心，夾具防護罩內設有主軸轉接板、限位塊，油壓夾頭與限位塊偏心連接。
7.根據權利要求6所述的帶工業機器人的曲軸四工位粗車加工數控柔性生產線，其特徵在於，所述的油壓夾頭與夾具防護罩之間設有配重塊和定位塊，配重塊與定位塊插接，配重塊用以平衡曲軸偏心旋轉時的重量偏差，定位塊用來做曲軸找正的基準。
8.利用權利要求1-7任意一項所述的生產線實現的曲軸四工位粗車加工方法，其特徵在於，四道專機在控制程序下完成如下加工步驟: 1)待加工件由人工擺放到上料道上，系統通電後，先判斷機械手是否在參考點上，如不在，手動將機械手返回到參考點，依次檢查機械手上是否有料以及專機一是否發出上料信號; 2)當專機一發出上料信號後，上料手移到上料道將上料位的曲軸坯送到專機一；當專機一執行完加工程序後，發出加工完成信號，下料手取下加工完成的工件； 3)當專機二的上料信號發出後，下料手將專機一取下的工件給專機二上料，當專機二執行完加工程序後，發出加工完成信號，下料手取下專機二加工完成的工件； 4)當專機三的上料信號發出後，下料手將專機二取下的工件給專機三上料，當專機三執行完加工程序後，發出加工完成信號，下料手取下專機三加工完成的工件； 5)當專機四的上料信號發出後，下料手將專機三取下的工件給專機四上料，當專機四執行完程序，發出加工完成信號，下料手取下專機四加工完成的工件，放置到下料道上，完成曲軸的四工位粗車加工。
【文檔編號】B23Q3/12GK104493198SQ201410779558
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月15日 優先權日:2014年12月15日
【發明者】胡永波, 彭方奇, 曲賀, 王春巖, 侯文浩, 叢詩傑, 宋禹辰 申請人:遼寧鼎豐數控設備有限公司