桌腿加工设备自动化改造的研究与应用

李大伟

（1.辽宁装备制造职业技术学院，辽宁沈阳 110161；2.辽宁广播电视大学，辽宁沈阳 110034）

0 引言

随着自动化技术的发展，自动化技术在生产制造领域的应用越来越广泛，一方面体现在新设备的研发，另一方面体现在对旧设备的自动化升级与改造。多数企业会考虑将原有设备进行自动化的升级改造。这样，既可以提高生产设备的产品质量和生产效率、降低生产工人的劳动强度、节约企业劳动力资源；又能提高企业的利润和竞争力，同时也促进企业自身的进步和发展[1-2]。

1 改造前桌腿加工设备概况

改造前的设备是某一规格桌腿材料的专用生产设备。工作过程中，首先由上料液压缸将待加工原料（方形木料）推到刀具下方，并通过顶针液压缸将其固定。在加工过程中，顶针机构带动方形木料高速旋转，桌腿切割机设计为固定形状的专用刀具，切割机按一定速度下降，将原料加工成桌腿成品。虽然桌腿生产专机设备满足了生产的需求，但生产过程中存在以下问题：

（1）设备缺少成品接收装置，成品落到地上，地上的木屑会粘到桌腿上，需要工人将木屑处理并搬运到成品存储区。

（2）桌腿刀具切割机加工精度低，加工后的桌腿存在毛刺，边角地方不圆滑，需要二次打磨加工处理，工作量大。

2 设备改造计划和方案

为了提高设备生产效率和产品质量、节约设备投资资金，采用在原有生产设备基础上进行自动化的升级改造方案[3-4]。

2.1 改造方案

（1）改造后，桌腿生产线分为一次切割区、桌腿打磨区、成品区3 个区域。其生产线结构如图1 所示。

（2）在原设备控制电路上取部分控制信号，作为与桌腿打磨设备的信号交互，实现联机控制。

（3）设计专用桌腿打磨设备，完成桌腿打磨功能。打磨装置设计为双面对称打磨功能，提高打磨质量；打磨机构设计为可方便拆卸的独立装置，打磨速度可调节。

图1 桌腿生产线结构

（4）采用桁架机械手作为搬运单元，实现桌腿生产线3 个功能分区的搬运任务。桌腿切割设备单个成品用时60 s，而桌腿打磨单个成品用时90 s，设计2 套机械手装置，1套用于物料上料，1 套用于成品下料。桁架机械手停留在桌腿打磨设备的正上方，使其以最快的速度完成物料切换任务。

2.2 设备自动化改造后的功能

（1）桌腿切割设备：采用原有切割设备，完成桌腿切割任务。

（2）桌腿打磨设备：对原设备切割完成的桌腿进行打磨、二次加工处理，形成合格产品。

（3）桁架机械手装置：完成从桌腿切割设备到桌腿打磨设备，再到成品区卸料的往复搬运工作。

（4）产量计数功能：完成单日和每月产量计数功能。

3 设备自动化改造的结构设计

桌腿加工设备经过自动化改造后，增加了3 个功能单元，分别是桁架机械手、桌腿打磨设备、成品存放货架。

桁架机械手由结构框架、运动轴、气缸抓手及相关附件构成。运动轴为水平移动轴，实现工件的轨迹运动功能，包括原点起始位、上料位、加工位、下料位、成品放料位；气缸抓手由伸缩气缸和夹紧气缸构成，用于完成物料的抓取和放置任务[5-7]。

桌腿打磨设备主要由旋转主轴、顶针气缸、打磨装置、砂纸滚轮、机架等构成。旋转主轴用于在桌腿打磨过程中快速旋转物料，使其打磨均匀；顶针气缸用于固定桌腿物料；打磨装置用于带动砂纸滚轮沿着桌腿形状对桌腿做打磨轨迹运动。

4 控制系统硬件设计

4.1 桌腿打磨控制系统硬件设计

桌腿打磨控制系统硬件结构如图2 所示。由于桌腿形状是不规则的，对其进行打磨加工，需要准确定位，而且打磨装置是需要移动的，其移动轨迹是弧形、非线性的。根据工艺需求，设计两套桌腿打磨装置，对称放置，每套装置由3 个伺服运动轴构成，分别执行水平移动、前后移动和升降移动轨迹，总计需要控制6 个伺服运动轴。采用数控系统实现，圆弧插补等功能。采用雷赛科技的SMC600 运动控制器，其含有7 路运动控制轴，并带有24 路开关量信号输入、16 路开关量信号输出。其可以控制7路伺服运动轴；同时其开关量输出信号可以作为主轴旋转电机、顶针气缸和机械手的交互信号等控制信号；输入信号可接入传感器信号、开关指令信号等。

4.2 切割机联机控制硬件设计

为实现系统的完整性和连贯性，桌腿生产过程中，桌腿切割机、桌腿打磨设备与桁架机械手之间要有一定的信号交互。切割机的信号交互电路如图3 所示。其信号功能如下：

（1）桌腿切割完成后，桌腿切割机应保持停止状态，同时给控制器发出取料命令，等待机械手取料。见图3 中的信号1。

（2）机械手到取料位后，将桌腿物料夹紧，然后PLC 控制器给桌腿切割机发取料到位信号，让切割机的顶针退回，见图3 中的信号2。

（3）桌腿切割机顶针退回到位后，给控制器发出机械手离开命令，桌腿切割机再次保持停止状态。该信号取桌腿切割机顶针退回到位信号，见图3 中的信号3。

图2 桌腿打磨控制系统硬件结构

图3 切割机信号交互电路

（4）机械手离开后，到达安全位置，给桌腿切割机发取料完成命令，见图3 中的信号4。恢复顶针退回到位信号，切割机可以继续正常工作。

5 控制系统软件设计

5.1 取料工艺程序

取料工艺流程如图4 所示。切割机切料完成后，给控制器发出取料信号，机械手到取料工位取料，到位后，机械手夹紧，然后给切割机发松开命令，切割机松开到位后，给控制器发机械手离开允许信号，机械手带着桌腿原料离开，到安全位置等待，并给切割机发完成信号，取料过程结束[8-9]。

5.2 桁架机械手控制程序

桁架机械手控制流程如图5 所示。系统上电后，按下复位按钮，机械手先回原点，找到坐标基准点，然后机械手到安全位置等待。当收到取料信号后，上料机械手到取料位置取料，取料完成后，到安全位置（打磨设备上方）等待。当打磨设备处于空闲状态时，上料机械手伸出，将物料放到桌腿打磨设备上，打磨设备上的顶针气缸将物料固定，上料机械手松开，机械手返回，上料过程结束；若打磨设备上有加工工件，则等待其加工完成后，下料机械手伸出，先将加工完成物料取出，再将上料机械手伸出，将物料放到打磨设备上，执行上料工艺；上料完成后，将下料机械手移动至物料成品区，到达后，下料机械手伸出，松开机械手，将物料放到成品区，并返回，机械手返回安全位置等待，下料过程结束。

图4 取料工艺流程

图5 桁架机械手控制程序流程

6 结束语

桌腿加工设备经过自动化的升级改造后，已在企业得到实际应用，使用效果较好。其主要体现在：设备改造后，利用自动化手段对桌腿二次打磨加工，改善了产品质量；劳动用工方面，原有设备生产需要3 个人参与工作任务，现在只需要1 个人；原有的单机设备转变为先进的生产线，提高了产品生产率，为企业提高了经济效益。