□ 陳銀清 □ 陳 宇 □ 鄭澤鈿 □ 李 凱

1.廣東石油化工學(xué)院 廣東茂名 525000

2.廣東省茂名市高級(jí)技工學(xué)校 廣東茂名 525000

1 設(shè)計(jì)背景

刀剪行業(yè)歷史悠久，我國有很多知名的刀剪傳統(tǒng)品牌。20世紀(jì)90年代初，刀剪行業(yè)由手工生產(chǎn)發(fā)展為半機(jī)械化生產(chǎn)，產(chǎn)品單調(diào)，且主要為小規(guī)模制作。20世紀(jì)90年代末期，刀剪產(chǎn)品出現(xiàn)了多樣化，民營企業(yè)開始增多。2001年，國家放開了民營企業(yè)進(jìn)出口經(jīng)營權(quán)，刀剪行業(yè)迎來新的發(fā)展契機(jī)，由內(nèi)銷轉(zhuǎn)向出口市場。2006年，全球金融危機(jī)給刀剪行業(yè)出口造成較大沖擊。2015年以來，隨著“一帶一路”的推進(jìn)，刀剪行業(yè)迎來了更廣闊的市場，呈現(xiàn)出大規(guī)模生產(chǎn)的新局面［1-2］。

在刀剪行業(yè)大規(guī)模發(fā)展的背后，我國刀剪生產(chǎn)仍然存在不少問題，包括自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)環(huán)境差、出口量低等。此外，刀剪質(zhì)量與歐美、日本等地產(chǎn)品相比差距明顯。

廣東陽江五金刀剪年產(chǎn)量約占全國的70%，出口量約占全國的85%，是名副其實(shí)的刀剪之鄉(xiāng)，但是目前的生產(chǎn)加工主要以手工上下料及單工序單臺(tái)設(shè)備為主，不能適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。

筆者以生產(chǎn)10寸不銹鋼刀為例，設(shè)計(jì)了刀剪磨削微自動(dòng)生產(chǎn)線及相配套工裝與上下料裝置［3-5］，可以有效提高刀剪的磨削效率。

2 刀剪磨削工藝分析

筆者以大批量磨削10寸不銹鋼刀為例，分析傳統(tǒng)刀剪磨削工藝。

10寸不銹鋼刀外形如圖1所示。

▲圖1 10寸不銹鋼刀外形圖

10寸不銹鋼刀傳統(tǒng)加工工藝流程見表1。

表1 10寸不銹鋼刀加工工藝流程

刀剪傳統(tǒng)加工工藝的缺點(diǎn)是自動(dòng)化程度低、加工效率低，因此不適應(yīng)當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展。筆者針對不銹鋼刀外形的工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)刀剪磨削微自動(dòng)生產(chǎn)線總體布局。

針對粗、精磨刃口斜面及基準(zhǔn)面工序，傳統(tǒng)雙工位數(shù)控雙頭刀剪專用磨床磨削基準(zhǔn)面的方法是一次裝夾先后完成粗、精磨削，但上下料及安裝均依靠手工操作完成，加工效率相對低［6］。筆者設(shè)計(jì)的磨削基準(zhǔn)面工藝流程如圖2所示。

▲圖2 磨削基準(zhǔn)面工藝流程

3 微自動(dòng)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

3.1 總體布局

刀剪磨削微自動(dòng)生產(chǎn)線總體布局如圖3所示，由旋轉(zhuǎn)輸送軌道及動(dòng)力裝置、自動(dòng)上下料裝置、刀剪專用數(shù)控磨床、清洗機(jī)、控制柜和控制面板等組成。在微自動(dòng)生產(chǎn)線中，采用旋轉(zhuǎn)輸送軌道，空間布局緊湊合理；采用多組隨動(dòng)夾具，保證生產(chǎn)線間歇移動(dòng)時(shí)能緊密連接。生產(chǎn)線各機(jī)床空間布局按加工要求合理排列，單元調(diào)配利用率高。各個(gè)機(jī)床既可單獨(dú)工作，又可通過控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化、高效率、高精度、低功耗的現(xiàn)代化批量生產(chǎn)［7］。

根據(jù)各機(jī)床的加工時(shí)間，合理設(shè)置運(yùn)行速度。旋轉(zhuǎn)輸送軌道在啟動(dòng)后保持平穩(wěn)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，且在刀剪專用數(shù)控磨床和自動(dòng)上下料裝置前設(shè)有卡位，使裝有工件的夾具進(jìn)入，進(jìn)行上下料。

兩臺(tái)刀剪專用數(shù)控磨床和自動(dòng)上下料裝置設(shè)有實(shí)時(shí)監(jiān)測傳感器，可查看當(dāng)前各機(jī)床的工作狀況，并反饋至控制系統(tǒng)。

3.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

筆者所設(shè)計(jì)的刀剪磨削微自動(dòng)生產(chǎn)線主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）旋轉(zhuǎn)軌道輸送，閉環(huán)自動(dòng)生產(chǎn)，工序連貫性好；

（2）自動(dòng)上下料裝置由機(jī)械手上下料，自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低；

（3）采用電磁吸板底座，裝夾方便、快捷；

（4）工序分散，粗磨、精磨獨(dú)立完成，裝夾簡單，精度易保證；

（5）全程傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測，加工精度高；

（6）占地空間小，生產(chǎn)線的總面積約48 m2。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)包括：① 專用工裝夾具；② 帶機(jī)械手的自動(dòng)上、下料裝置；③ 緊固裝置；④ 檢測傳感器及自動(dòng)控制系統(tǒng)。

4 工裝與上下料裝置

工裝與上下料裝置既是獨(dú)立部件，又是和旋轉(zhuǎn)輸送軌道連接最緊密的關(guān)鍵部位，是整個(gè)生產(chǎn)線的始端，也是生產(chǎn)線的末端。

4.1 總體結(jié)構(gòu)

工裝與上下料裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由以下部件組成：起支承作用的基礎(chǔ)部件機(jī)床主體、將夾具固定在工作臺(tái)上的電磁吸板底座［8］、將夾具夾緊零件蓋板緊固或打開以便機(jī)械手緊固工件或取下工件的緊固裝置、支撐夾具及機(jī)械手的工作臺(tái)、將工件放置在夾具安裝面上或?qū)A具上的工件取下的兩個(gè)機(jī)械手。

4.2 工作流程

工裝與上下料裝置工作流程如下：

（1）加工完成的工件隨夾具進(jìn)入自動(dòng)上下料裝置內(nèi)，到達(dá)工作臺(tái)上的電磁吸板底座卡位，停止移動(dòng)；

（2）工作臺(tái)升起，電磁吸板底座上表面貼近夾具底面，通過其上表面的凸起柱體與夾具底面的開孔配合定位；

（3）電磁吸板底座上表面貼緊夾具下表面，電磁吸板通電，將夾具穩(wěn)固在工作臺(tái)上；

（4）上一步完成后，緊固裝置的滑動(dòng)板前端已與夾具的蓋板貼緊，滑動(dòng)板前端的電動(dòng)扳手將夾具蓋板上兩枚緊固螺栓旋松，滑動(dòng)板往回移動(dòng)，打開夾具蓋板，上料機(jī)械手在上料處夾取一件工件；

（5）下料機(jī)械手將夾具上的工件取下，上料機(jī)械手將夾取的工件放置在夾具安裝面上；

（6）下料機(jī)械手將取下的工件放置在下料處，緊固裝置將夾具蓋板推回夾具上方，擰緊緊固螺栓，將工件夾緊；

（7）電磁吸板斷電，工作臺(tái)下降到固定位置，夾具脫離電磁吸板底座并回到旋轉(zhuǎn)輸送軌道，沿旋轉(zhuǎn)輸送軌道繼續(xù)移動(dòng)；

（8）工件加工完成后，沿軌道輸送到上下料裝置，重復(fù)第（1）至第（7）步。

▲圖3 刀剪磨削微自動(dòng)生產(chǎn)線總體布局

5 專用工裝夾具

5.1 功能

專用工裝夾具在加工時(shí)用于快速緊固工件，使刀具、工件保持正確的相對位置，目的是對工件進(jìn)行定位和夾緊［9-10］。

刀剪磨削微自動(dòng)生產(chǎn)線專用工裝夾具的功能如下：

（1）裝、拆便捷，定位準(zhǔn)確；

（2）簡單、輕便，適合機(jī)械手取放工件；

（3）能自動(dòng)進(jìn)入和脫離旋轉(zhuǎn)輸送軌道；

▲圖4 工裝與上下料裝置總體結(jié)構(gòu)

（4）制造簡單，穩(wěn)定性好，避免積屑和便于清理廢屑等。

5.2 總體結(jié)構(gòu)

專用工裝夾具主要由夾具主體、蓋板、緊固螺栓、限制螺栓、定位銷套件、萬向輪［11］等組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

▲圖5 專用工裝夾具結(jié)構(gòu)

夾具體上表面為帶間隔槽的斜面。該斜面的傾斜角度與刀體相對應(yīng)，刀體安放后加工表面為水平面。設(shè)置間隔槽，方便機(jī)械手取放工件。蓋板、緊固螺栓為夾裝元件，定位銷套件為定位元件，萬向輪的作用是帶動(dòng)整個(gè)專用工裝夾具移動(dòng)。

5.3 定位方式

專用工裝夾具采用兩面一銷定位方式，底面、側(cè)面及銷孔定位，如圖6所示。

6 上下料裝置

上下料裝置將待加工工件送裝到機(jī)床上，并將已加工工件從機(jī)床上取下，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的一個(gè)重要組成部分，更是自動(dòng)化生產(chǎn)線的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

上下料裝置由通用微型機(jī)械手加裝專用手爪組成，包括上料機(jī)械手和下料機(jī)械手。前者負(fù)責(zé)將上料處的刀具抓取并放置在夾具安裝面上，后者負(fù)責(zé)將已加工完成的工件取下并放置在下料處。

▲圖6 專用工裝夾具定位

7 緊固裝置

7.1 結(jié)構(gòu)

緊固裝置由滑動(dòng)板、滑動(dòng)腔、傳動(dòng)齒輪、電動(dòng)機(jī)等組成，功能是將夾具的蓋板緊固或打開，配合上下料機(jī)械手實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

▲圖7 緊固裝置結(jié)構(gòu)

7.2 工作流程

緊固裝置工作流程如下。

（1）打開夾具蓋板。當(dāng)工作臺(tái)［12］上升，夾具的蓋板貼緊滑動(dòng)板前端配合面時(shí)，緊固裝置的電動(dòng)扳手將緊固螺栓擰松至不干擾夾具蓋板移動(dòng)的位置，電動(dòng)機(jī)正向通電，帶動(dòng)傳動(dòng)齒輪使滑動(dòng)板向滑動(dòng)腔內(nèi)移動(dòng)，打開夾具蓋板，此時(shí)機(jī)械手取下已加工工件。

（2）緊固夾具蓋板。當(dāng)待加工工件放置在夾具安裝面上時(shí)，電動(dòng)機(jī)反向通電，帶動(dòng)傳動(dòng)齒輪與滑動(dòng)板上的齒條嚙合。此時(shí)滑動(dòng)板向滑動(dòng)腔外移動(dòng)，即滑動(dòng)板推動(dòng)夾具蓋板對齊螺栓開孔。電動(dòng)扳手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，將兩枚緊固螺栓擰緊，工件緊固在夾具上。

8 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了刀剪磨削微自動(dòng)生產(chǎn)線，能有效解決多品種、小批量刀剪加工時(shí)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度高、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。

這一生產(chǎn)線可適用于不同結(jié)構(gòu)的刀剪產(chǎn)品，在生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)初期，小批量生產(chǎn)刀剪的成本可能會(huì)偏高，但是隨著生產(chǎn)線柔性技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)的不斷發(fā)展、完善，以及多品種收益的提高，會(huì)降低多品種、小批量生產(chǎn)的成本。

這一生產(chǎn)線可以合理放置多個(gè)夾具在旋轉(zhuǎn)輸送軌道上，各機(jī)床同時(shí)工作，夾具井然有序地在旋轉(zhuǎn)輸送軌道上間歇移動(dòng)，每臺(tái)機(jī)床都在進(jìn)行加工，生產(chǎn)線不斷進(jìn)行循環(huán)，實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)化加工。為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，還可以設(shè)計(jì)一次可裝夾多件刀具的專用工裝夾具。