基于机器人的汽车半轴锻造自动化设计

张小光

摘要：工业自动化作为现代先进工业科学的核心技术，是工业现代化的物质基石和重要标志，采用工业机器人不仅能够提高产品质量，更能提高生产效率。随着我国汽车行业的快速发展，对汽车零部件的需求量日益增加。目前汽车半轴的锻造过程中需要多人协调工作，而且劳动强度大，所以对汽车半轴加工过程的自动化改造大有益处。本设计在不改变油压机现有布局位置的前提下，通过对上料工装、耐高温夹具、机器人的选择、控制流程的开发，实现汽车半轴锻造的自动化生产。降低工人的劳动强度、节省人力资源、提高生产效率。通过本设计为锻造机的自动化改造提供参照方案，提升自动化生产水平。

关键词：机器人;锻造机;自动化改造;工业4.0;集成系统

0  引言

随着社会的发展，劳动力成本越来越高，制造行业不得不迎来全面的自动化改型变革，机器人也随之加速进入制造行业[1]。使用机器人替代人工已在各个行业逐渐展开，尤其是在劳动环境差、劳动强度大、节拍快、制造精度高的行业[2-3]。汽车半轴制造主要包括加热、锻造两个工序，本设计通过对加热炉和锻造机的控制程序进行改造，增加上料台、机器人和下料台等设备，实现自动化生产，节约人工成本，降低烫伤等风险。

1  总体布局模型

总布局图1中主要有油压机、上料机构、加热炉、夹钳、机械手和传输架，通过上次对现场的尺寸测量和实际情况确定上述布局方案。通过对加热炉的位置进行适当的调整，将机械手放在油压机和加热炉中间的适当位置，这样不仅可以确保各个工序在机械手的运动范围之内，而且减小机械手的运动行程，提高加工节拍[4]。

2  机构简介

2.1 上料机构

生产现场中，由于半轴棒料放在加热炉左侧的位置，半轴棒料较长，移动加热炉之后，空间不足，棒料的摆放位置受到限制，所以上料机构的高度要高于加热炉中棒料的水平高度，让机械手从上方抓取棒料，然后放进加热炉中。

上料机构中主要包括支架、滑台、传感器、电机和传送带等，利用电机带动滑台进行传动。安装一个传感器，传感器检测机械手所要夹持的位置是否有棒料，如果有棒料会给机械手一个信号，可以夹持棒料。

2.2  夹钳

在本项目因为油压机放棒料的位置较深、棒料较重，油压机深处达到440mm，而且放料口较窄，开口的大小为200mm，所以使用的夹具必须细长，才能满足机械手能把棒料夹住并放进油压机中。

加工的棒料最重为m棒=40kg，机器人运动过程中的最大加速度为a=0.5g，通过资料查的钢与钢的滑动摩擦系数为u=0.15，经过计算得出最小夹持力为3920N。

本项目采用两个夹具，安装在同一钢板上，单个夹钳最大夹持力为220kg，两个夹钳的最大夹持力为4312N，大于最重棒料所需要的夹持力。

2.3 传输架

本项目所设计的传输架总长度为2500mm，宽度300mm，采用伺服电机控制，同步带宽度50mm，输送能力50KG，定位精度0.1mm。

3  控制过程

3.1 控制流程

汽车半轴的自动化设备主要体现在自动上料、机械手夹取棒料、给加热炉送料、把加热好的棒料放入油压机中、取出油压机中的棒料、输送到下一工序。具体的机械臂的运动过程及加工工序的流程图如图5所示。

3.2 所用传感器

①上料机构：主要是控制升降气缸和检测上料机构末端是否有棒料放入，传递给机械手一个信号[5]。②加热炉：检测加热孔是否有棒料，控制机械手放棒的位置，确保不损坏加热炉。③油压机液压夹紧装置：主要是检测棒料是否被夹紧，加紧之后传递给机械手继续下一个运动的信号。④油压机升降柱：升降柱抬起之后，机械手夹取棒料，液压夹紧装置松开，取出棒料。⑤气动夹具处：检测夹具是否夹紧棒料。

3.3 加工节拍

根据现场实际尺寸的测量，按照现有布局的实际情况，对运动节拍进行了模拟，对上料机构到加热炉、加热炉到油压机、油压机到上料机构、油压机到传输架、传输架到加热炉进行了实际的模拟。计算出来整个工序的时间为41.44秒，相比目前人工180秒的时间缩短了很长时间，极大的提高了生产效率。

4  结语

通过本设计，提高了企业自动化生产水平，实现汽车半轴的自动化生产。机器人取代人工生产具有以下方面的优势：①节约操作工人数：通过自动化设备的使用能够减少本工序的用工人数，从原先的该工序需要6人，减少到使用一名工人。②提高生产效率：机械手作业与人不同之处在于，机械手可以24小时不停歇的作业，提高生产产量[6]。③保证产品质量：机械手的精度较高，重复定位精度达到正负0.06mm，远高于人工作业的精度。④降低勞动强度：汽车半轴棒料的质量为10-40kg，每天生产量在1000多个，对于劳动者来说，劳动强度过高，使用机械手自动设备之后能够减少工人的劳动强度。⑤提高企业的自动化水平：自动化是衡量制造业水平的一个标准，引进自动化设备不仅能够提升加工制造的实力，而且能够增加产能[7]。

参考文献：

[1]刘建光，李仕威，段海峰.应用于工业机器人的数控车床的自动化改造设计[J].机械工程师，2017（6）：79-80.

[2]陶婕.工业机器人在数控机床中的运用实践研究[J].科技风，2020（07）：165-166.

[3]陆晨芳，宋鹏，丁中华.基于工业机器人和数控车床的自动上下料工作站[J].机械制造，2019，57（12）：45-47.

[4]陈运军.基于工业机器人的“智能制造”柔性生产线设计[J].制造业自动化，2017，39（08）：55-57.

[5]徐永谦，周谦，罗俏.多数控机床机器人上下料系统[J].机床与液压，2015，43（15）：47-50.

[6]李平，陈启愉，段先云，陈浩，邓志文，廖菲.基于工业机器人的板材自动上下料系统研究[J].机电工程技术，2016，45（08）：4-6.

[7]陈婷婷.4R多关节轮毂加工上下料机械手的运动分析与研究[D].沈阳工业大学，2012.