精车活塞止口专机自动上下料系统的研制

文子

1 概述
2 L# x# U: E# |8 d6 E; M5 ?活塞是汽车发动机的关键部件，其加工质量的好坏直接影响轿车的质量。活塞的加工特点是批量大、生产节拍快、自动化程度高。为此，活塞的加工一般都采用全自动化流水线作业。本文论述了精车活塞止口专机自动上下料系统的组成及其硬件的实现和软件的设计。
2 自动上下料系统的组成
& L9 D+ R% i2 F) y; h" u1.V形块 2.机械手 3.主轴系统 4.上料装置 5.刀架 6.下料槽 7.导向杆 8.料斗 9.上料槽
5 e3 i3 r, Z5 h1 O0 k$ c& U* D图1 全自动CNC精车活塞止口专用机床的示意图
图1所示为全自动CNC精车活塞止口专用机床示意图。其自动上下料系统主要由上料槽、V形块、气缸A、气缸B、机械手、旋转气缸C、旋转气缸E、气缸F、主轴系统、导向杆、料斗、气缸H和下料槽等组成。具体工作过程如下：机床启动后，上料槽中的活塞自动滚入由A气缸所支撑的V型块中，A气缸上升使活塞与主轴中心线处于水平垂直位置；接着B气缸水平推动活塞进入机械手中；此时旋转气缸C转动活塞，进行定向找正；找正后，A、B、C气缸复位；旋转气缸E带动机械手旋转90°至主轴卡盘前端；F气缸推动活塞进入卡盘中；液压缸G驱动卡盘自动夹紧活塞；然后E、F气缸复位，接着开始加工。加工时，止口端面、倒角、内圆面的粗、精加工是由安装在一把刀杆上的两片刀一次性加工完成。而且在加工止口的同时，由旋转气缸D带动主轴内部的中心钻打中心孔。这样可以减少加工时间，提高加工效率。同时在加工过程中，A、B、C气缸动作，作上料准备，从而减少上料辅助时间。加工完毕后，卡盘自动放松，活塞从卡盘中弹出，通过导向杆下滑到料斗中。接着H气缸带动料斗上升，上升时，料斗内部的螺旋机构因自重作用带动活塞旋转90°。料斗上升到顶部时，将活塞翻入下料槽中，使活塞自动滚入下一台全自动CNC镗削活塞销孔专用机床。
; C$ N3 [+ G: H2 j3 自动上下料系统硬件的实现
全自动CNC精车活塞止口专用机床的控制系统主要由810T数控系统、液压控制系统以及气动系统等组成。其自动上下料系统各个动作的实现是靠气动和液压控制系统来完成，动作的可靠性取决于气动和液压系统的性能。而动作之间的协调是通过PLC(可编程逻辑控制器)控制。PLC集成在CNC控制器内部，是CNC和机床之间的接口，担负着它们之间的信息交换，控制机床从自动上料到自动下料过程中所有气缸的动作以及各种辅助动作的执行，实现机床的顺序控制。液压控制系统和气动系统与PLC相连，由PLC控制液压缸和各缸的动作，实现活塞从自动上料、加工、到自动下料的过程控制。以下主要论述自动上下料系统气动和液压控制回路的设计。
+ Y4 t* H! G: i5 S  Z, m自动上下料系统动作顺序如下：
+ K& I& @* o! q0 Q启动→放料→推入机械手→转动活塞找正→推料和找正气缸回位→机械手旋转送料→推入卡盘→夹紧工作→推料气缸退回→机械手退回→刀具快进→主轴旋转→工进→刀具快退→卡盘松开放料。
1 t6 ~/ ]3 A1 B+ m3 |为了节约时间，又要保证工件上下料过程自动循环顺利完成，可安排一些动作重叠进行。经仔细研究得出：放料→推入机械手→转动活塞找正→推料和找正气缸回位和刀具快进→主轴旋转→工进→刀具快退→卡盘松开放料这两组动作是可以重叠的，而机械手旋转送料→推入卡盘→夹紧工件→推料气缸退回这组动作与上两组动作是串联关系。根据动作要求和工作进程，可画出如图2所示的自动上下料系统工作顺序及信号逻辑关系图。
( H: P' z4 V6 x$ Q; X图2 系统工作顺序及信号逻辑关系图
根据图2所示的信号逻辑关系图可设计出如图3所示的气动、液压系统原理图。由该图分析可知，气压加上后，按下启动阀Q，主控阀E将处于E1位置，致使E缸活塞杆伸出，到达行程末端时发出信号e1。e1、g0两信号使主控阀F处于F1位置，致使F缸活塞杆伸出，到达行程末端时发出信号f1。f1控制液压缸动作，当其到达行程末端时发出信号g1。g1使主控控阀F处于F0位置，使F缸活塞杆收回，到达行程末端时发出信号f0。f0g1两信号又使主控阀E处于E0位置，使E缸活塞杆收回，到达行程末端时发出信号e0。e0使主控阀A处于A0位置，同时给数控进给机构发信号，使A缸活塞杆收回，到达行程末端时发出信号a0。a0使主控阀A处于A1位置，使A缸活塞杆伸出，到达行程末端发出信号a1。a1使主控阀D处于D0位置，使D缸活塞杆收回，到达行程末端时发出信号d0，d0使主控阀D处于D1位置，使D缸活塞杆伸出；同时a1使主控阀B处于B1位置，使B缸活塞杆伸出，到达行程末端时发出信号b1。b1使主控阀C处于C1位置，致使C缸活塞杆伸出，到达行程末端时发出信号c1。c1又使主控阀B处于B0位置，致使B缸活塞杆收回，到达行程末端时发出信号b0。b0使主控阀C处于C0位置，致使C缸活塞杆收回，到达行程末端时发出信号c0。活塞加工完后，数控系统发出信号使液压缸退回，到达行程末端时发出信号g0。g0c0q1使主控阀E处于E1位置，E缸活塞杆伸出，达到行程末端发出信号e1。如此不断循环进行。

图3 气动、液压控制系统原理图
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图4 自动上下料系统软件流程图
  ~8 v$ w9 t" Z6 L液压系统回路也在图3中表示，其作用是驱动卡盘夹紧工件，液压缸G行程为20mm，图示的系统由变量泵供油，根据该泵的流量—压力特性曲线图，当工件夹紧后，压力达到预先调定的压力时，泵的输出流量将减少到补偿夹紧机构的泄漏量，这样在工件加工时，将不会有大量的油从溢流阀排出，从而减少发热。调节进入液压缸的流量，使活塞获得需要的夹紧速度。在泵的出口处接一单向阀，主要是在电机停转时防止油倒流和避免空气侵入系统。
4 自动上下料系统软件的设计
全自动CNC精车活塞止口专用机床的数控系统软件由CNC生产厂家提供。自动上下料系统的软件设计主要针对PLC进行。图4所示为其软件流程图。机床上电后，PLC程序一直循环扫描执行，主要功能是获取外界输入信号，根据机床数据字和各种标志位的判别来实现M、S等辅助功能，决定轨迹运动或循序动作的条件是否满足，完成单步或连续动作的控制，另外还用来增加对机床工作过程中出错的报警和处理信息的屏幕提示。
2 y5 K- ]# @! Q0 tPLC是NC(数控系统)与机床液压、气动及辅助装置之间联系的桥梁。图中所有上下料动作、卡盘的夹紧和松开、打中心孔、主轴的准停以及是否开始切削加工等都是由PLC控制完成的。而具体切削加工的过程则由NC控制完成。初始化过程由PLC和NC共同完成，包括旋转主轴、打开冷却泵、使刀架走至换刀位置、让主轴准停、卡盘松开、准备接受工件等。必须注意每次启动机床时，在加工程序执行前应使进给轴回参考点，使控制器与机床同步(因为机床采用相对测量方式)。
由流程图可知，当卡盘夹紧后，切削加工与上料准备动作是并行执行的，其目的是减少辅助加工时间，这主要利用了NC程序和PLC程序可并行执行的特点。由于810T数控制系统NC和PLC共用一个CPU，因而动作的并行执行是采用分时复用方式实现的。加工是否结束是由PLC判断操作面板上所定义的按钮是否被按下来确定，若被按下，PLC就通过系统特定的输出功能使NC程序中的M01有效，从而停止执行NC程序。
5 结论
笔者所研制的自动上下料系统是全自动CNC精车活塞止口专机的关键组成部分，具有自动检测、故障诊断和报警功能，实现了活塞止口加工工序的全自动化。在一次安装、不停机、不换工位的情况下，从上料、加工到下料一气呵成。该系统在上海活塞厂已投入生产一年有余，而且已和下一台全自动CNC镗削活塞销孔专机连接，实现了全自动化生产线加工。使用结果表明其动作可靠、性能稳定。其工作节拍为：每只活塞所用时间小于20秒。
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