CN104493198A - 带工业机器人的曲轴四工位粗车加工数控柔性生产线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带工业机器人的曲轴四工位粗车加工数控柔性生产线，包括上料道、下料道、上料机械手、下料机械手、机械手轨道、专机一、专机二、专机三和专机四，上料机械手和下料机械手在控制器的控制下控制专机一、专机二、专机三和专机四的自动上料和自动下料；上料机械手和下料机械手均是作为独立单元安装在机械手轨道上。本发明的优点是：取代人工生产线和数控单机生产，提高曲轴粗加工的生产效率和自动化程度，以数控加工和取放料自动化来改善劳动条件，解决用工紧张的矛盾，降低产品不良率；各专机单元采用模块化设计，工业机器人系统与数控专机之间为分离式控制模式，相互不影响，当工业机器人故障时，也可由人操作运转。

Description

带工业机器人的曲轴四工位粗车加工数控柔性生产线

技术领域

本发明涉及智能柔性生产领域，尤其涉及适用于加工曲轴的一种带工业机器人的曲轴四工位粗车加工数控柔性生产线。

背景技术

曲轴是发动机上的一个重要的机件，其材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的，它主要有两个重要部位：主轴颈和连杆颈。主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，这是一个典型的曲柄滑块机构。发动机工作过程中，活塞经过混合压缩气的燃爆，推动活塞做直线运动，并通过连杆将力传给曲轴，由曲轴将直线运动转变为旋转运动，其结构见附图1，包括主轴颈(a1、a2、a3、a4、a5)、连杆颈(b1、b2、b3、b4)和扇板(c1、c2、c3、c4)。

原有的曲轴粗车加工分十一道加工工序，具体工序如下：

1、精车大端(靠近a1的轴端)及主轴；2、精车小端(靠近a5的轴端)及扇板；3、车扇板开档；4、粗车主轴颈；5、粗车b1，b4连杆颈；6、粗车b2、b3连杆颈；7、精车主轴颈R槽；8、精车b1，b4连杆颈R槽；9、精车b2、b3连杆颈R槽；10、钻大端孔；11、钻小端孔攻丝锪角。

目前国内曲轴生产线多数仍由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动化程度相对较低。粗加工设备多采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆颈，工序的质量稳定性差，容易产生较大的内应力，且难以达到合理的加工余量。这种老式生产线主要的特点就是普通设备太多，按加工球墨铸铁曲轴来计算，一条生产线有35～40台设备。粗加工采用普通车床加工主轴颈和连杆颈，然后数控精车主轴颈和连杆颈，再经过多道工序的磨削方转入精加工工序，导致产品周转线长、场地占用面积大，其生产效率完全是靠多台设备分解工序和余量来提高的。

进入21世纪以后，发动机曲轴在制造工艺、刀具等方面都发生了巨大的变化。领导了近半个多世纪的多刀车削工艺和手工磨削工艺，由于加工精度低和柔性差等原因，正在逐步退出历史舞台，以后曲轴粗加工的发展趋势将是广泛采用数控车床、数控内铣床、数控车拉床等先进设备对主轴颈、连杆轴颈进行数控车削、内铣削、车-拉削加工，以有效减少曲轴加工的变形量。

随着第三次工业革命带来的技术飞速进步，智能制造正深度刷新着工业生产格局。在生产中采用工业机器人(机械手)代替人工操作，构成自动化生产单元或组成全自动生产线，是现代化智能制造的重要发展方向。

机器人产业分析指出，每万名生产工人占有的机器人数量，居全球第一的日本是306台，韩国287台，德国253台，美国130台，而我国仅为15台。随着汽车工业近几年来的快速发展，曲轴这种大批量生产类型产品要求生产效率更高、生产质量更稳定。在国外，这类零件的机器人生产线已经成熟，除人工完成少量焊接散件外，基本上实现了全自动化生产。而在国内，这种自动化程度极高的生产线还尚未出现，尤其机械加工中的重型零部件，在搬运、装夹时的难度都很大，占用大量的生产时间，而且装夹零件的质量不是很高，废品率也相对较高。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种带工业机器人的曲轴四工位粗车加工数控柔性生产线，将数控专机与工业机器人系统有机地结合起来，构成先进制造系统进行曲轴的粗加工，取代人工生产线和数控单机生产，提高曲轴粗加工的生产效率和自动化程度，以数控加工和取放料自动化来改善劳动条件，同时，采用偏心夹具实现对曲轴的粗加工。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

带工业机器人的曲轴四工位粗车加工数控柔性生产线，包括上料道、下料道、上料机械手、下料机械手、机械手轨道、专机一、专机二、专机三和专机四，上料机械手和下料机械手在控制器的控制下控制专机一、专机二、专机三和专机四的自动上料和自动下料；上料机械手和下料机械手均是作为独立单元安装在机械手轨道上。

所述的上料道和下料道是带工装的积放式输送料道结构，包括抓取架、链条，抓取架固定在链条上，工装或零件放在抓取架上，由电机驱动链条带动工装或零件依次行走至上料位或下料位，保证机械手在抓取零件时的准确定位。

所述的专机一、专机二、专机三、专机四的结构相同，均包括底座、主轴座、副主轴座、同步带轮一、转动杆、防护罩和刀塔，主轴座上安装主轴，副主轴座内设有副主轴，保护罩设置在专机外部，保护罩外部设有自动门，保护罩顶部设有上料天窗。

所述转动杆通过联轴器、同步带轮二与副主轴构成机械式联动结构，主轴动力通过同步带轮一、转动杆、联轴器、同步带轮二传动到副主轴，带动副主轴同步运转。

所述主轴、副主轴上均设有偏心夹具。

所述的偏心夹具为液压夹具，包括拉杆连接螺钉、主轴转接板、限位块、本体、夹具防护罩、油压夹头，本体上设有与油压夹头连接的主轴转接板，拉杆连接螺钉位于主轴转接板的中心，夹具防护罩内设有主轴转接板、限位块，油压夹头与限位块偏心连接。

所述的油压夹头与夹具防护罩之间设有配重块和定位块，配重块与定位块插接，配重块用以平衡曲轴偏心旋转时的重量偏差，定位块用来做曲轴找正的基准。

所述的生产线实现的曲轴四工位粗车加工方法，四道专机在控制程序下完成如下加工步骤：

1)待加工件由人工摆放到上料道上，系统通电后，先判断机械手是否在参考点上，如不在，手动将机械手返回到参考点，依次检查机械手上是否有料以及专机一是否发出上料信号；

2)当专机一发出上料信号后，上料手移到上料道将上料位的曲轴坯送到专机一；当专机一执行完加工程序后，发出加工完成信号，下料手取下加工完成的工件；

3)当专机二的上料信号发出后，下料手将专机一取下的工件给专机二上料，当专机二执行完加工程序后，发出加工完成信号，下料手取下专机二加工完成的工件；

4)当专机三的上料信号发出后，下料手将专机二取下的工件给专机三上料，当专机三执行完加工程序后，发出加工完成信号，下料手取下专机三加工完成的工件；

5)当专机四的上料信号发出后，下料手将专机三取下的工件给专机四上料，当专机四执行完程序，发出加工完成信号，下料手取下专机四加工完成的工件，放置到下料道上，完成曲轴的四工位粗车加工。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

取代人工生产线和数控单机生产，提高曲轴粗加工的生产效率和自动化程度，以数控加工和取放料自动化来改善劳动条件，解决用工紧张的矛盾，降低产品不良率；各专机单元采用模块化设计，工业机器人系统与数控专机之间为分离式控制模式，相互不影响，当工业机器人故障时，也可由人操作运转。

1、实现了智能装备的信息化、智能化和网络化，提高生产效率和自动化水平。

2、适用于类似汽车零件等大批量生产类型产品，可加工形状复杂的工件，能最大限度地提高企业的劳动生产率。

3、工业机器人系统在数控机床侧面的地面安装，与数控机床没有机械上的连接，通过电缆进行信息交换和控制，通过编程器对机器人进行编程操作和动作轨迹等调整，能适应各种工件形状和加工要求。

4、从安全生产、产品质量的稳定性、劳动强度和生产效率等各方面进行比较，这种自动化生产方式有较大优势，也是数控加工自动取放料方式的发展趋势。

5、这种自动化生产线短期存在一次性投资大的缺点，但从长远来看，特别是工人的用工成本不断增加和用工紧张等因素，工业机器人将会更经济、适用，同时也适用己有生产线的自动化改造。

6、偏心夹头配合机床上的标准液压夹头，能实现多种不同规格曲轴拐径的偏心加工。

7、正副主轴结构，能减小工件的扭曲力，提高工件精度，相比其他正副主轴分别采用电机控制的方式，可以节约制造成本。

附图说明

图1是曲轴结构示意图。

图2是本发明生产线结构示意图。

图3是下料位的曲轴状态。

图4是上料过程的曲轴状态。

图5是专机结构示意图。

图6是偏心夹具结构示意图。

图7是偏心夹具结构示意图。

图8是偏心夹具结构示意图。

图9是偏心夹具夹持工件状态示意图。

图10是自动门示意图。

图11是上料天窗示意图。

图12是曲轴加工柔性线机械手逻辑控制流程图。

图中：1-上料道  2-上料机械手  3-下料机械手  4-下料道  5-底座  6-机械手轨道7-电控箱  8-铁屑车  9-专机一  10-专机二  11-专机三  12-专机四  13-主轴座  14-同步带轮一  15-转动杆  16-副主轴座  17-联轴器  18-防护罩  19-刀塔  20-同步带轮二21-曲轴  22-偏心夹具  22-1-拉杆连接螺钉  22-2-主轴转接板  22-3-油压夹头  22-4-限位块  22-5-本体  22-6-夹具防护罩  23-配重块  24-定位块  25-副主轴偏心夹头  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-自动门32-上料天窗。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

见图2-12，带工业机器人的曲轴21四工位粗车加工数控柔性生产线，包括上料道1、上料机械手2、下料机械手3、下料道4、机械手轨道6、电控箱7、铁屑车8、专机一9、专机二10、专机三11、专机四12，上料机械手2和下料机械手3在控制器的控制下控制专机一9、专机二10、专机三11和专机四12的自动上料和自动下料；上料机械手2和下料机械手3均是作为独立单元安装在机械手轨道6上。

上料道1和下料道4是带工装的积放式输送料道结构，包括抓取架、链条，抓取架固定在链条上，工装或零件放在在抓取架上，由电机驱动链条带动工装或零件依次行走至上料位或下料位，保证机械手在抓取零件时的准确定位。

专机一9、专机二10、专机三11、专机四12的结构相同，均包括底座5、主轴座13、同步带轮一14、转动杆15、副主轴座16、联轴器17、防护罩18、刀塔19、同步带轮二20、偏心夹具22，主轴座13上安装主轴，副主轴座16上安装副主轴，主轴与副主轴为机械式联动结构，主轴动力通过同步带轮一14、转动杆15、联轴器17、同步带轮二20传动到副主轴，带动副主轴同步运转，主轴上连接偏心夹具22，保护罩设置在专机外部起防尘确保安全的作用，保护罩外部设有自动门31，保护罩顶部设有上料天窗32；主轴、副主轴上均设有偏心夹具22。

偏心夹具22为液压夹具，包括拉杆连接螺钉22-1、主轴转接板22-2、限位块22-4、本体22-5、夹具防护罩22-6、油压夹头22-3，本体22-5上设有与油压夹头22-3连接的主轴转接板22-2，拉杆连接螺钉22-1位于主轴转接板22-2的中心，夹具防护罩22-6内设有主轴转接板22-2、限位块22-4，油压夹头22-3与限位块22-4偏心连接。

油压夹头22-3与夹具防护罩22-6之间设有配重块23和定位块24，配重块23与定位块24插接，配重块23用以平衡曲轴21偏心旋转时的重量偏差，定位块24用来做曲轴21找正的基准。

曲轴21四工位粗车加工方法，四道专机在控制程序下完成如下加工步骤：

1)待加工件由人工摆放到上料道上，系统通电后，先判断机械手是否在参考点上，如不在，手动将机械手返回到参考点，依次检查机械手上是否有料以及专机一是否发出上料信号；

2)当专机一发出上料信号后，上料手移到上料道将上料位的曲轴坯送到专机一；当专机一执行完加工程序后，发出加工完成信号，下料手取下加工完成的工件；

3)当专机二的上料信号发出后，下料手将专机一取下的工件给专机二上料，当专机二执行完加工程序后，发出加工完成信号，下料手取下专机二加工完成的工件；

4)当专机三的上料信号发出后，下料手将专机二取下的工件给专机三上料，当专机三执行完加工程序后，发出加工完成信号，下料手取下专机三加工完成的工件；

5)当专机四的上料信号发出后，下料手将专机三取下的工件给专机四上料，当专机四执行完程序，发出加工完成信号，下料手取下专机四加工完成的工件，放置到下料道上，完成曲轴的四工位粗车加工，各专机产生的铁屑由铁屑车8收集。

见图3，是下料位的曲轴状态。下料手抓取架26分别用来抓取a2、a4主轴颈，下料手固定架27用来定位b4连杆颈，这样能保证曲轴21在运输过程的姿态平衡，方便向专机上料。

见图4，是上料过程的曲轴状态。支架28支撑曲轴21的a1、a5主轴颈，支架28和定位板29固定在上料道1的工装板上，定位板29固定曲轴21的b4连杆颈。支架28固定a2、a4主轴颈。

料道的动作过程如下：曲轴坯随料道移动至上料位遇到传感器，传感器检测到信号后，分挡料装置将上料位的曲轴坯与后面的曲轴坯分开，并将上料位的曲轴坯定位。

然后上料道1发出物料准备完成的信号，等待机械手下来抓取。当传感器检测到上料位无料时，分挡料装置重复以上动作，将曲轴坯区分开，依次循环。

上料道1所具有的功能：

1)输送功能：完成对零件的输送。

2)分料功能：完成对零件的分离，以便于机械手上料时上料位只有一个工件。

3)储料功能：有一定的储料能力，用于储存几个工件，使自动线不会出现无料加工的现象。

4)检测功能：料道可以检测工件是否到位，是否定位完成；检测上料位是否有料。

5)通信功能：料道可以与机床、机械手相互通信。

6)报警功能：当上料道1无料时，料道可发出报警信号，提醒工人给自动线续料。

见图5，专机为SL-208PLUS数控车床，具体结构由底座5、主轴座13、同步带轮一14、转动杆15、副主轴座16、联轴器17、防护罩18、刀塔19、同步带轮二20组成。它采用一种主副轴机械式联动结构，主轴动力通过同步带轮一14、转动杆15、联轴器17、同步带轮二20连接副主轴座16，形成主轴和副主轴联动结构，这种重载结构高刚性，具有机械自锁功能，能减小工件的扭曲力，提高工件精度，相比其他正副主轴分别采用电机控制的方式，可以节约成本。

见图6-图8，专机的偏心夹具22为液压偏心夹头，包括拉杆连接螺钉22-1、主轴转接板22-2、限位块22-4、本体22-5、夹具防护罩22-6、油压夹头22-3，本体22-5上设有与油压夹头22-3连接的主轴转接板22-2，拉杆连接螺钉22-1位于主轴转接板22-2的中心，夹具防护罩22-6内设有主轴转接板22-2、限位块22-4，油压夹头22-3与限位块22-4偏心连接。这种夹具能在机械手上料、下料信号的控制下实现自动夹紧、松开功能以配合上下料动作；保证重复定位精度±0.04mm。加工曲轴时保证加工面与主轴、副主轴同心，利用油压夹头22-3夹紧非加工面，对曲轴固定。

见图9，是偏心夹头夹持工件状态示意图，配重块23用来平衡曲轴21偏心旋转时的重量偏差，定位块24用来做曲轴21找正的基准，这样可保证自动上料时的找正，提高上料的速度和位置准确。

见图10、图11，数控专机具备前面自动门31及顶部上料天窗32，均为推拉式结构，自动门31控制模块用于与机械手通信；自动门31上配有电子锁，在加工过程中无法打开，在上料天窗32未打开时也无法打开。上料天窗32受气动控制，具有最短的行程，可节省工序时间。配合多重安全急停装置，可有效避免意外事故发生，确保操作人员和机床工件的安全。

图2中，控制箱可以采用PLC+触摸屏的硬件结构也可以采用数控系统的控制方式，开发设计更加灵活，操作更加人性化，维护方便。

专机采用了模块化设计思路，每台机床均配有独立的控制系统，液压系统，独立供油供水，每台数控专机可以独立完成加工内容，单元内的工业机器人与数控机床采用分离式的控制，相互各不影响，即使机器人系统出现故障，机床也可由人工继续操作运转，有利于设备的维护和检修。

控制系统是整条柔性单元的大脑，控制着每部分机构，即可以独立工作，也可以协调合作，顺利完成生产，控制箱功能：①对机器手运行轨迹进行编程；②对各部分机构独立操作；③提供必要的操作指导及诊断信息；④能协调机器人与机床之间的工作过程；⑤控制系统具有丰富的I/O口资源，可扩展；⑥多种控制模式，如：自动，手动，停止，急停，故障诊断。

机械手轨道6采用滚轮式导轨。滚轮本身直径大，同一接触点与导轨的接触次数少。与直线导轨滑块相比，此类导轨对导轨防护环境的要求较低，在使用环境差的加工工厂内，滚轮式导轨更加适合。

机械手轨道6托板整体开模铸造重载结构、高刚性。将Y轴Z轴的传动组件集中设计到一块托板上，这种结构方式是将电机、减速机、滑块、齿轮等转动部件在一个托板上集约安装。整体开模铸造可较大的减轻运动部件的重量，增强了Z轴的钢性，提高了载荷能力，该结构安装简单可靠，维护方便、减少零散的管线的分布，简洁美观。我们将集中润滑系统也集中在滑板上，极大的减少了润滑油管的长度，使其润滑油的分布更加合理充分，减少了润滑系统的故障。

Claims (8)

1.带工业机器人的曲轴四工位粗车加工数控柔性生产线，其特征在于，包括上料道、下料道、上料机械手、下料机械手、机械手轨道、专机一、专机二、专机三和专机四，上料机械手和下料机械手在控制器的控制下控制专机一、专机二、专机三和专机四的自动上料和自动下料；上料机械手和下料机械手均是作为独立单元安装在机械手轨道上。

2.根据权利要求1所述的带工业机器人的曲轴四工位粗车加工数控柔性生产线，其特征在于，所述的上料道和下料道是带工装的积放式输送料道结构，包括抓取架、链条，抓取架固定在链条上，工装或零件放在抓取架上，由电机驱动链条带动工装或零件依次行走至上料位或下料位，保证机械手在抓取零件时的准确定位。

3.根据权利要求1所述的带工业机器人的曲轴四工位粗车加工数控柔性生产线，其特征在于，所述的专机一、专机二、专机三、专机四的结构相同，均包括底座、主轴座、副主轴座、同步带轮一、转动杆、防护罩和刀塔，主轴座上安装主轴，副主轴座内设有副主轴，保护罩设置在专机外部，保护罩外部设有自动门，保护罩顶部设有上料天窗。

4.根据权利要求3所述的带工业机器人的曲轴四工位粗车加工数控柔性生产线，其特征在于，所述转动杆通过联轴器、同步带轮二与副主轴构成机械式联动结构，主轴动力通过同步带轮一、转动杆、联轴器、同步带轮二传动到副主轴，带动副主轴同步运转。

5.根据权利要求4所述的带工业机器人的曲轴四工位粗车加工数控柔性生产线，其特征在于，所述主轴、副主轴上均设有偏心夹具。

6.根据权利要求5所述的带工业机器人的曲轴四工位粗车加工数控柔性生产线，其特征在于，所述的偏心夹具为液压夹具，包括拉杆连接螺钉、主轴转接板、限位块、本体、夹具防护罩、油压夹头，本体上设有与油压夹头连接的主轴转接板，拉杆连接螺钉位于主轴转接板的中心，夹具防护罩内设有主轴转接板、限位块，油压夹头与限位块偏心连接。

7.根据权利要求6所述的带工业机器人的曲轴四工位粗车加工数控柔性生产线，其特征在于，所述的油压夹头与夹具防护罩之间设有配重块和定位块，配重块与定位块插接，配重块用以平衡曲轴偏心旋转时的重量偏差，定位块用来做曲轴找正的基准。

8.利用权利要求1-7任意一项所述的生产线实现的曲轴四工位粗车加工方法，其特征在于，四道专机在控制程序下完成如下加工步骤：

1)待加工件由人工摆放到上料道上，系统通电后，先判断机械手是否在参考点上，如不在，手动将机械手返回到参考点，依次检查机械手上是否有料以及专机一是否发出上料信号；

2)当专机一发出上料信号后，上料手移到上料道将上料位的曲轴坯送到专机一；当专机一执行完加工程序后，发出加工完成信号，下料手取下加工完成的工件；

3)当专机二的上料信号发出后，下料手将专机一取下的工件给专机二上料，当专机二执行完加工程序后，发出加工完成信号，下料手取下专机二加工完成的工件；

4)当专机三的上料信号发出后，下料手将专机二取下的工件给专机三上料，当专机三执行完加工程序后，发出加工完成信号，下料手取下专机三加工完成的工件；

5)当专机四的上料信号发出后，下料手将专机三取下的工件给专机四上料，当专机四执行完程序，发出加工完成信号，下料手取下专机四加工完成的工件，放置到下料道上，完成曲轴的四工位粗车加工。