论文部分内容阅读
摘 要：在机加工过程中自动化加工成为提高加工效率和降低劳动强度一种有效的手段，工件机械加工自动化时，可分为半自动，全自动和完全自动。各种自动化系统必须根据具体的零件进行设计，文章主要介绍锥形零件外形精加工的完全自动化工作原理，结构组成以及在实际加工中的运用。
关键词：自动化；半自动；全自动；完全自动；机械手；分选装置
中图分类号：TH161.11 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）6-0086-04
工件机加工自动化时，可分为半自动、全自动、完全自动三种形态。半自动化加工是工件的装卸利用手作业，只是加工过程自动化。全自动化又称滑槽形式或仓匣形式的自动化，只以手工将工件装填于滑槽或仓匣，装卸、加工全部自动化的机构。完全自动化是用有工件整列能力的进料器、漏斗等对滑槽或仓匣供给工件，而且可一次对进料器或漏斗供给大量工件。
现国内的自动化加工，大部分属于半自动化或全自动化形式，但是随着各类数控机床的广泛应用，实现工件加工完全自动化已成为工件加工的趋势。完全自动化不仅可以提高生产效率，而且能够保证加工的工件质量，降低操作者的劳动强度。
本文介绍锥形零件外形精加工的完全自动化主要包括：PLC控制系统，液压驱动系统和自动化执行部件系统。
PLC控制部件：该部件能让各个部件实现预定动作的控制系统（PLC），在设计充分考虑各动作之间的时间先后顺序、逻辑关系、合作协调关系等；
自动送料、自动退料部分：送料采用液压油缸送料，自动退料采用弹簧退料；
拉紧部分：使用液压油缸作为拉紧动力。
液压控制部件：在车内锥自动车床中，项目组经过反复试验、研究决定采用液压系统作为驱动力。液压系统具有控制简便，驱动可靠，噪音小，动作迅速等有特点；
1 工艺分析
1.1 受力情况的分析
考虑到效率，我们拟采用涨芯式夹紧锥形带孔零件，因为锥形带孔零件底孔较小，车槽时切削力较大，涨芯式夹紧就存在芯轴刚性不够的问题，所以必须尽量的减小切削力和车床的振动，以保证锥形带孔零件的尺寸精度。
下面就受力情况对加工的参数进行分析：
切削力Fc，与切削速度方向一致，是计算刀具强度、机床功率的主要依据。
进给力Ff，与刀具运动方向一致。
由于切槽力比车内锥的切削力大的多，所以在进行设计计算时，主要考虑的是切槽力，车内锥的切削力忽略不计。
影响切削力的因素主要有以下几个方面：工件材料、 进给量f、背吃刀量ap、前角Yo、主偏角和刀尖圆弧半径、刀具材料、切削液。
根据以上影响因素，锥形带孔零件材料为20 CrMnTi的挤压料或棒料，因为该材料比较粘刀，车床必须使用较高的转速，在保证进给量f的情况下，增大前角Yo和主偏角Kr，减小刀尖圆弧半径Rε的情况下，可以减小切削力和振动，使切削更轻快。
为了保证锥形带孔零件外锥尺寸精度，初步选用硬度较高、耐磨的涂层刀片。
1.2 加工参数的确定
要保证生产效率，进给量f应达到目前锥形带孔零件粗车外锥时的进给量（700 mm/min），要保证粗糙度，必须选择合适的进给量，0.05～0.15 mm/r为f的临界值，尽量接近这个范围，则粗糙度越小，所以要使用700 m/min的进给量，主轴转速在4 667～14 000 r/min之间较好。
20 CrMnTi为塑性材料，为避开积屑瘤和鳞刺生成的切削速度范围，对于涂层刀具来说，应采用较高的切削速度（Vc>1.6 m/s）。
为达到较高的切削速度，在保证系统稳定的条件下，我们使用了车床的最高转速1 600 r/min，在该速度下，锥形带孔零件锥面的切削速度范围为1.5 m/s 所以，在理论上说，主轴转速为4 667～14 000 r/min的情况下，使用较小的刀尖圆弧半径（小切削量可提高刀片寿命，减小背向力，满足涨芯式夹具芯轴刚性不足的要求，保证加工的精度），以车代磨是可以达到目前粗车外锥的进给速度的（粗车外锥进给量为700 mm/min），并可保证锥形带孔零件的粗糙度和尺寸精度。
因为刀具寿命的限制，为保证最佳的经济性，我们的加工参数为电主轴3 000 r/min，选用1.2刀尖圆弧半径，进给量为500 mm/min（即0.167 mm/r，基本符合0.05～0.15 mm/r区间，按进给量计算也可选择3 333 r/min的主轴转速），实际和理论基本一致。
1.3 设计方案
自动加工涉及方案如图1所示。运动方式是：送料部件启动，送料部件的穿心杆穿过料仓锥形带孔零件内孔，将料仓内锥形带孔零件推出送入机床主轴上的胀套，在送入的过程中，锥形带孔零件大头端面压住自动退料装置，自动退料装置（弹簧装置）随着锥形带孔零件一起前进直至锥形带孔零件大端面与胀套端面贴合为止。在运动过程中当送料部件的穿心杆顶住胀套内拉杆端面时，穿心杆被压缩回收。锥形带孔零件送到位后，送料部件回程，开始进行机加工。
在车外锥时，通过机床本身的拖板运动带动分离器拨动板运动，拨动分离器内的锥形带孔零件，让锥形带孔零件落入料仓，为下一次送料做准备。
车削完成后，拉紧装置松开，退料装置在弹簧力的作用下将工作锥形带孔零件弹出，锥形带孔零件落入车床下面的接料盘。
2 进料器
2.1 进料器结构
进料器的工件外形如图2所示，组成部分如图3所示：标识1为料仓，作为待整形零件的存放处，标识2为待整形的工件，标识3为整形导向轴，标识4为整形橡胶片，标识5为整形棘轮。整个机构与水平面成a度。 2.2 进料器工作原理
锥形工件通过进料器的整形作用，调整为锥面小头朝下方向，为实现工件的自动送料做准备。
整形棘轮在电机的驱动下带动整形橡胶片搅动料仓内的工件，使锥形工件方向发生改变，当在两根整形导向轴上的工件被搅动至小头向下时，工件落入整形导向轴，方向不对的工件不能进入整形导向轴。同时整形导向轴的转动增加与落入的工件的摩擦力，使落入的工件沿整形导向轴向下运动，进入滑槽。
3 车外锥主要技术特征
3.1 切削力和切削功率的计算
3.2 拉紧结构
3.2.1 拉紧力计算
拉紧油缸拉紧后的拉紧力F0，在胀套的锥面上产生一个垂直于胀套锥面的压力F1，F1的反作用力F1'在切削方向的分力F'应该大于或等于切削力Fc。
因为锥形带孔零件质量较小，可不考虑自身重力的影响，胀套为小头胀紧（四片式），可不考虑背向力Fp的影响。锥形带孔零件受力最大位置为切槽处，则根据力矩平衡得：
3.2.2 拉紧结构
当拉紧活塞工作时，胀套中的拉杆受拉力作用，胀开胀套，拉紧锥形带孔零件。根据计算出的拉紧力可以确定拉紧油缸的受力面积和选取拉紧轴承。
综合考虑受力情况和具体的安装结构，初步确定拉紧轴承选用推力球轴承，结构示意图如图5所示：
已知：油压P=1.5 MPa，活塞杆直径r=20 mm，拉紧力F0=3 186 N，活塞直径为R。
根据F0'选取推力球轴承51 203，其基本额定载荷为Ca=17 KN， Coa=27.2 KN
4 PLC控制系统
PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，20世纪70年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1 K逻辑程序不到1 ms。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。
锥形零件外形精加工的完全自动化PLC控制流程图如图6所示。
5 液压驱动系统
使用液压力具有控制简便，驱动可靠，噪音小，动作迅速等有特点。
液压部件连接结构图如图7所示。
5.1 液压泵的选择
根据《机械设计手册（5）》和系统的工况，选择外啮合齿轮泵。
工作时最大载荷F0'=7 653 N，根据手册可以确定液压系统工作压力为1.5～2 MPa。
根据送料、切槽和拉紧油缸的参数以及项目要求的加工效率，在切槽时系统的流量最大QMAX=0.26 L/s（18.72 L/min）。根据手册可知：
泵的流量Q≥K×QMAX（K为泄漏系数，一般取1.2）
则：Q≥18.75 L
故选择CB-B20外啮合齿轮泵，该泵参数见表1：
5.2 液压控制阀的选择
系统中的控制阀主要包括溢流阀、电磁换向阀和调速阀。工作中液压执行活塞的换向选择二位四通电磁阀换向，在切槽油路上增加了一个调速阀，以便准确调整切槽的进给速度和切槽切削量。
6 发展方向
实现了机械自动装料、自动夹紧、自动车削、自动卸料和料屑分离等功能，自动化程度高，技术含量高，一人可以控制2～3台车床，可以说是向少人或无人化生产迈进了一大步，并且很大缩短了产品的生产周期，更有利于提高企业形象，加强企业竞争力，巩固企业地位。
参考文献：
[1] 李益民.机械制造工艺设计简明手册[M].北京：机械工业出版社，1993.
[2] 艾兴，肖诗纲.切削用量简明手册（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2002.
[3] 《机床设计手册》组.实用机床设计手册[M].北京：机械工业出版社，1997.
[4] 雷天觉.新编液压工程手册[M].北京：北京理工大学出版社，2002.
[5] 张利平.液压站设计与使用[M].北京：海洋出版社，2004.
[6] 张进秋.可编程控制器原理及应用实例[M].北京：机械工业出版社，2004.
关键词：自动化；半自动；全自动；完全自动；机械手；分选装置
中图分类号：TH161.11 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）6-0086-04
工件机加工自动化时，可分为半自动、全自动、完全自动三种形态。半自动化加工是工件的装卸利用手作业，只是加工过程自动化。全自动化又称滑槽形式或仓匣形式的自动化，只以手工将工件装填于滑槽或仓匣，装卸、加工全部自动化的机构。完全自动化是用有工件整列能力的进料器、漏斗等对滑槽或仓匣供给工件，而且可一次对进料器或漏斗供给大量工件。
现国内的自动化加工，大部分属于半自动化或全自动化形式，但是随着各类数控机床的广泛应用，实现工件加工完全自动化已成为工件加工的趋势。完全自动化不仅可以提高生产效率，而且能够保证加工的工件质量，降低操作者的劳动强度。
本文介绍锥形零件外形精加工的完全自动化主要包括：PLC控制系统，液压驱动系统和自动化执行部件系统。
PLC控制部件：该部件能让各个部件实现预定动作的控制系统（PLC），在设计充分考虑各动作之间的时间先后顺序、逻辑关系、合作协调关系等；
自动送料、自动退料部分：送料采用液压油缸送料，自动退料采用弹簧退料；
拉紧部分：使用液压油缸作为拉紧动力。
液压控制部件：在车内锥自动车床中，项目组经过反复试验、研究决定采用液压系统作为驱动力。液压系统具有控制简便，驱动可靠，噪音小，动作迅速等有特点；
1 工艺分析
1.1 受力情况的分析
考虑到效率，我们拟采用涨芯式夹紧锥形带孔零件，因为锥形带孔零件底孔较小，车槽时切削力较大，涨芯式夹紧就存在芯轴刚性不够的问题，所以必须尽量的减小切削力和车床的振动，以保证锥形带孔零件的尺寸精度。
下面就受力情况对加工的参数进行分析：
切削力Fc，与切削速度方向一致，是计算刀具强度、机床功率的主要依据。
进给力Ff，与刀具运动方向一致。
由于切槽力比车内锥的切削力大的多，所以在进行设计计算时，主要考虑的是切槽力，车内锥的切削力忽略不计。
影响切削力的因素主要有以下几个方面：工件材料、 进给量f、背吃刀量ap、前角Yo、主偏角和刀尖圆弧半径、刀具材料、切削液。
根据以上影响因素，锥形带孔零件材料为20 CrMnTi的挤压料或棒料，因为该材料比较粘刀，车床必须使用较高的转速，在保证进给量f的情况下，增大前角Yo和主偏角Kr，减小刀尖圆弧半径Rε的情况下，可以减小切削力和振动，使切削更轻快。
为了保证锥形带孔零件外锥尺寸精度，初步选用硬度较高、耐磨的涂层刀片。
1.2 加工参数的确定
要保证生产效率，进给量f应达到目前锥形带孔零件粗车外锥时的进给量（700 mm/min），要保证粗糙度，必须选择合适的进给量，0.05～0.15 mm/r为f的临界值，尽量接近这个范围，则粗糙度越小，所以要使用700 m/min的进给量，主轴转速在4 667～14 000 r/min之间较好。
20 CrMnTi为塑性材料，为避开积屑瘤和鳞刺生成的切削速度范围，对于涂层刀具来说，应采用较高的切削速度（Vc>1.6 m/s）。
为达到较高的切削速度，在保证系统稳定的条件下，我们使用了车床的最高转速1 600 r/min，在该速度下，锥形带孔零件锥面的切削速度范围为1.5 m/s
因为刀具寿命的限制，为保证最佳的经济性，我们的加工参数为电主轴3 000 r/min，选用1.2刀尖圆弧半径，进给量为500 mm/min（即0.167 mm/r，基本符合0.05～0.15 mm/r区间，按进给量计算也可选择3 333 r/min的主轴转速），实际和理论基本一致。
1.3 设计方案
自动加工涉及方案如图1所示。运动方式是：送料部件启动，送料部件的穿心杆穿过料仓锥形带孔零件内孔，将料仓内锥形带孔零件推出送入机床主轴上的胀套，在送入的过程中，锥形带孔零件大头端面压住自动退料装置，自动退料装置（弹簧装置）随着锥形带孔零件一起前进直至锥形带孔零件大端面与胀套端面贴合为止。在运动过程中当送料部件的穿心杆顶住胀套内拉杆端面时，穿心杆被压缩回收。锥形带孔零件送到位后，送料部件回程，开始进行机加工。
在车外锥时，通过机床本身的拖板运动带动分离器拨动板运动，拨动分离器内的锥形带孔零件，让锥形带孔零件落入料仓，为下一次送料做准备。
车削完成后，拉紧装置松开，退料装置在弹簧力的作用下将工作锥形带孔零件弹出，锥形带孔零件落入车床下面的接料盘。
2 进料器
2.1 进料器结构
进料器的工件外形如图2所示，组成部分如图3所示：标识1为料仓，作为待整形零件的存放处，标识2为待整形的工件，标识3为整形导向轴，标识4为整形橡胶片，标识5为整形棘轮。整个机构与水平面成a度。 2.2 进料器工作原理
锥形工件通过进料器的整形作用，调整为锥面小头朝下方向，为实现工件的自动送料做准备。
整形棘轮在电机的驱动下带动整形橡胶片搅动料仓内的工件，使锥形工件方向发生改变，当在两根整形导向轴上的工件被搅动至小头向下时，工件落入整形导向轴，方向不对的工件不能进入整形导向轴。同时整形导向轴的转动增加与落入的工件的摩擦力，使落入的工件沿整形导向轴向下运动，进入滑槽。
3 车外锥主要技术特征
3.1 切削力和切削功率的计算
3.2 拉紧结构
3.2.1 拉紧力计算
拉紧油缸拉紧后的拉紧力F0，在胀套的锥面上产生一个垂直于胀套锥面的压力F1，F1的反作用力F1'在切削方向的分力F'应该大于或等于切削力Fc。
因为锥形带孔零件质量较小，可不考虑自身重力的影响，胀套为小头胀紧（四片式），可不考虑背向力Fp的影响。锥形带孔零件受力最大位置为切槽处，则根据力矩平衡得：
3.2.2 拉紧结构
当拉紧活塞工作时，胀套中的拉杆受拉力作用，胀开胀套，拉紧锥形带孔零件。根据计算出的拉紧力可以确定拉紧油缸的受力面积和选取拉紧轴承。
综合考虑受力情况和具体的安装结构，初步确定拉紧轴承选用推力球轴承，结构示意图如图5所示：
已知：油压P=1.5 MPa，活塞杆直径r=20 mm，拉紧力F0=3 186 N，活塞直径为R。
根据F0'选取推力球轴承51 203，其基本额定载荷为Ca=17 KN， Coa=27.2 KN
4 PLC控制系统
PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，20世纪70年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1 K逻辑程序不到1 ms。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。
锥形零件外形精加工的完全自动化PLC控制流程图如图6所示。
5 液压驱动系统
使用液压力具有控制简便，驱动可靠，噪音小，动作迅速等有特点。
液压部件连接结构图如图7所示。
5.1 液压泵的选择
根据《机械设计手册（5）》和系统的工况，选择外啮合齿轮泵。
工作时最大载荷F0'=7 653 N，根据手册可以确定液压系统工作压力为1.5～2 MPa。
根据送料、切槽和拉紧油缸的参数以及项目要求的加工效率，在切槽时系统的流量最大QMAX=0.26 L/s（18.72 L/min）。根据手册可知：
泵的流量Q≥K×QMAX（K为泄漏系数，一般取1.2）
则：Q≥18.75 L
故选择CB-B20外啮合齿轮泵，该泵参数见表1：
5.2 液压控制阀的选择
系统中的控制阀主要包括溢流阀、电磁换向阀和调速阀。工作中液压执行活塞的换向选择二位四通电磁阀换向，在切槽油路上增加了一个调速阀，以便准确调整切槽的进给速度和切槽切削量。
6 发展方向
实现了机械自动装料、自动夹紧、自动车削、自动卸料和料屑分离等功能，自动化程度高，技术含量高，一人可以控制2～3台车床，可以说是向少人或无人化生产迈进了一大步，并且很大缩短了产品的生产周期，更有利于提高企业形象，加强企业竞争力，巩固企业地位。
参考文献：
[1] 李益民.机械制造工艺设计简明手册[M].北京：机械工业出版社，1993.
[2] 艾兴，肖诗纲.切削用量简明手册（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2002.
[3] 《机床设计手册》组.实用机床设计手册[M].北京：机械工业出版社，1997.
[4] 雷天觉.新编液压工程手册[M].北京：北京理工大学出版社，2002.
[5] 张利平.液压站设计与使用[M].北京：海洋出版社，2004.
[6] 张进秋.可编程控制器原理及应用实例[M].北京：机械工业出版社，2004.