带桁架系统自动化数控加工单元的应用研究

张春振 王玉石 孙鹏

摘 要：本论文以5项典型螺栓类零件作为研究对象，利用带桁架系统自动化数控加工单元，实现零件加工过程中自动上料下料、掉头、抽检、铣六方等加工内容。提高零件加工数字化、信息化、少人化直至无人化管理，保证零件产品质量，提高了劳动生产率，将工人从繁重的体力劳动中解放出来，使零件制造技术达到一个崭新的水平。

关键词：桁架；数控加工单元；自动化

中图分类号：TP271 文献标志码：A

1 項目简介

1.1 桁架机器人简介

桁架式机器人也叫作直角坐标机器人和龙门式机器人。工业应用中，桁架机器人是能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、适合不同任务的自动化设备。它能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。

1.2 国内外现状

智能制造技术已成为世界制造业发展的客观趋势，世界上主要工业发达国家正在大力推广和应用。发展智能制造既符合我国制造业发展的内在要求，也是重塑我国制造业新优势，实现转型升级的必然选择。智能制造不仅仅是单一的先进技术和设备的应用，而是新模式的转变。高效灵活的生产模式、产业链有效协作与整合、新型生产服务型制造、协同开发和云制造，这些都是其很明显的优势。近年来，各国为提高产品质量、降低成本、缩短研制周期，制订多项先进制造发展战略与规划，调整产业架构， 促进产业转型，急需用智能制造提升能力和效率。此外，相关技术条件已逐渐成熟。信息技术和新的智能技术为智能制造提供了最重要的基础。目前中国制造业正处于转型升级的浪潮之中，正是机器人自动化的发展良机，08年经济危机之后，现代化制造对员工素质要求越来越高，人工成本增长迅速，“招工难”日益严重，如何在生产中降低劳动强度， 实现智能自动化，提高生产效率，减少人员配置，缩小生产空间，降低社会成本，甚至于无人化智能加工，在机械加工行业势在必行。

随着制造业的用工成本上涨、技能人才紧缺、高危环保、高强度作业等问题的凸显，对于工作效率的要求越来越高，企业如何运用低成本回收大利润是每个生产厂家心目当中在意的事情。而通过这些年的实践证明，数控车床桁架机械手参与生产制造已被广泛认知和不断使用，成为社会关注的焦点。在机器人和自动化工业生产领域中，桁架机器人即实现了制造过程的完全自动化，并采用了集成加工技术，适用于机床、生产线的上下料、工件翻转、工件转序等， 同时其高精度夹持定位工具系统为机器人自动化加工提供了标准接口。

1.3 问题描述

目前航空领域加工大量螺栓类零件，由于零件批量大，立项前采用普通数控车床加工，车床实际加工时间很短，工人频繁执行：开安全门—装夹—关安全门动作，劳动强度极高。桁架机械手普遍架设在机床的上方，轨迹单一，占地面积小，桁架机械手生产线工人可以实时监测加工过程，问题排除迅速，抽检方便，人机协作较好。并且将车床安装动力头，实现车床具备铣削功能，两台数控车床+一台桁架即可将零件由毛料状态加工至淬火状态。并且通过桁架机械手可以有效地改善了作业环境，提高零件加工数字化、信息化、少人化直至无人化管理，可靠的保证了产品质量，极大的提高了劳动生产率，将工人从繁重的体力劳动中解放出来，使现代制造技术达到一个崭新的水平。

2 详细科学技术内容

2.1 总体思路

（1）研究目的。本次技术改进以5项典型螺栓类零件作为研究对象，利用带桁架系统自动化数控加工单元，实现零件加工过程中自动上料下料、掉头、抽检、铣六方等加工内容。提高零件加工数字化、信息化、少人化直至无人化管理，可靠的保证了产品质量，极大地提高了劳动生产率，将工人从繁重的体力劳动中解放出来，使零件制造技术达到一个崭新的水平。

（2）研究内容。基于上述研究目的和目标，本技术改进内容主要包括3个部分，首先是梳理典型螺栓类零件工艺方案，改变原有工艺方案，针对桁架数控加工单元特点，确定螺栓类零件加工方案；其次针对工艺方案，确定毛料长度，设计毛料料盘，确定上下料方式；最后编制桁架程序及数控车床加工程序，完成零件加工工作：①梳理典型螺栓类零件工艺方案。选取5项典型螺栓类零件进行工艺优化研究，要求具有外形简单且单机数量大的特点。梳理典型螺栓类零件工艺方案，改变原有工艺方案，针对桁架数控加工单元特点，确定螺栓类零件加工方案；②确定上下料方式。针对工艺方案，确定毛料长度，设计毛料料盘，确定上下料方式；③编制程序。调试桁架程序，采用示教对桁架进行调试，空运行桁架系统。编制数控车床运行程序，利用2号数控车床动力头实现铣六方功能。进行程序试切加工。

2.2 技术方案

螺栓类零件单机数量较大，改进前采用普通数控车床加工，车床实际加工时间很短，工人频繁执行：开安全门—装夹—关安全门动作，劳动强度极高。通过桁架系统不仅能完成加工工件的自动上料下料、工件翻转、工件转序等工作，而且能满足快速、大批量加工节拍。并且利用车床动力头，实现车床具备铣削功能，两台数控车床+一台桁架即可将零件由毛料状态加工至淬火状态。并且通过桁架机械手可以有效地改善了作业环境，提高零件加工数字化、信息化、少人化直至无人化管理，可靠的保证了产品质量，极大地提高了劳动生产率，将工人从繁重的体力劳动中解放出来，使现代制造技术达到一个崭新的水平。

（1）梳理典型螺栓类零件工艺方案。针对桁架数控车装夹零件简单的特点，充分发挥桁架的优势，改变原有的工艺方案，改进后螺栓类零件加工工艺安排如下：采用桁架机械手抓料，然后加工两侧零件后，切断，并进行铣六方。将原有的5道工序合并为3道，提高了加工效率。

（2）确定上下料方式

以改进后的工艺方案为依托，针对桁架运行原理，按照机械手抓取毛料的运作方式，确定毛料料盘排布方式，确定毛料长度及上下料方式，与下料中心进行协调将5件一组成组下料改为两件一组下料，通过这种改进，充分发挥了桁架的特点，保证了机械手抓料时稳定快速，同时节省了毛料夹头量。

（3）编制数控程序

首先，针对工艺方案，分别编制两台数控车床的加工程序，并编制机床2的动力头加工六方程序，然后分别对零件进行试切加工。

调试桁架程序，采用示教对桁架进行调试，空运行桁架系统。编制数控车床运行程序，利用2号数控车床动力头实现铣六方功能。进行程序试切加工。

3 关键技术及创新点

3.1 桁架式机器人优势

（1）多自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角。（2）自动控制的，可重复编程，所有的运动均按程序运行。（3）一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。（4）灵活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。（5）高可靠性、高速度、高精度。（6）可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。（7）各个机器人行走轴，均可采用滚轮导轨，具有可高速运行，安装调试方便，适合长行程应用，可用于恶劣环境等。

3.2 桁架机械手装夹与人工装夹对比

（1）人工装卸的弊端：①占用人力资源，生产和管理成本较高；②手工装卸料存在安全隐患。③工人劳动强度大，生产效率不高。

（2）桁架机器人特点。桁架机器人其结构形式非常适合机床自动化装卸料，应用潜力巨大，其特点有：①结构简单紧凑，运行平稳；②具有高可靠性，高速度，高精度；③可工作在较为恶劣的工作环境；④性价比高，调试、操作简单。

4 经济效益及社会效益

可一人同时操作多台机器同时运作，工作效率大大提高，桁架机器人重复定位精度高，保证了产品质量的稳定性。当今社会人口老龄化加剧，招工难，使用桁架机器人从真正意义上解决了企业的用工难问题。把工段工艺比较难的，劳动生产力强度大的用机器人代替，从真正意义上做到机器人换人的概念。

参考文献

[1]孙志礼，冷兴聚，魏严刚，等.机械设计[M].沈阳：东北大学出版社，2000：38.