摆动式导柱加工送料加工机的设计制造

目前，生产自动化是现代工厂提高效率、节约成本的一种重要手段，面对人力资源成本的日益增高，越来越多的企业试图将生产设备改造升级，实现自动化生产，以此来节约制造成本。在这样的背景下，笔者受一家模具标准件制造企业的委托，设计一台导柱双头打中心点的自动化设备，以取代目前在这个工序上的人力成本。

一、产品背景

本文所述的应用来源于广东省河源市某模具标准件制造公司委托我单位进行的科研攻关项目《导柱定位孔加工设备的开发》，产品对象为导柱（图1）。该公司在加工导柱时，用切割机切割下棒料，然后用手推车将棒料运输到钻定位孔的位置，工人用普通小型钻床手动加工双边中心定位孔，并进行倒角，然后运输到车床加工车间进行半精加工，磨床车间进行精车加工。加工定位孔的目的是为后续加工起定位和装卸作用。棒料在毛坯加工阶段，传统的定位孔的加工方法，是手工换向打定位孔和倒角，这种加工方法比较繁琐，而且从经济效益和工作效率来说都不太理想，基于导柱毛坯棒料的现阶段加工模式现状，需要设计一套能够实现全自动下料、压紧、钻定位孔以及出料的自动化设备。

二、设计要求分析

1.现场考察中出现的问题

经过现场考察，发现以下问题。

①切割机下料后，导柱毛坯棒料由工人用手推车进行送料。

②导柱毛坯棒料定位孔的加工由工人手拿棒料用手动中心钻进行打孔，打完一边的定位孔后，换另一边打孔。

③钻完定位孔后，再进行倒角，工序不能同步。

④导柱中心孔的同轴度完全靠其设计的V型夹具保证，其夹具存在磨损及位移可能。

⑤因为是手工钻孔，两边的定位孔存在着同轴度的误差，为后续的加工带来很大的误差。

2.工人操作时出现的问题

工人现场进行机床操作时，存在如下问题。

①工人在送料时，先要手工把棒料装到手推车上，然后再将手推车送到指定地点，此过程人工作业的劳动强度大、时间长且效率低。

②工人在钻定位孔的时候，用手放到中心钻下，存在严重安全隐患。

③钻定位孔和倒角不能同时进行。

④进行磨制工作时，需要熟手磨工操作，进行全手工作业，劳动强度大。

⑤对工件钻定位孔，进行两次拆件，加工效率极低，极易造成工件加工过量，致使工件报废，对操作工人的操作水平要求高。

⑥车间内气源充足，可以考虑用气缸作为动力源。

3.设计要求

提出的设计要求，如下。

①采用自动送料装置等技术，解决人工送料。

②采用自动钻孔装置，解决人工钻孔问题。

③减少导柱定位孔的同轴度误差，尽可能实现双边同时作业。

④钻孔和倒角尽可能同时进行。

⑤与相同的手工加工条件相比，确保提高加工效率1倍以上。

三、设计思路

通过对导柱毛坯阶段加工过程的分析，可以按照如下思路进行设计。

（1）针对棒料从切割机上切下后，需要工人用手把一根根棒料放到手推车上，然后运送到指定地点的现象，设计一套合适的自动送料系统。

（2）针对委托公司的工人用手动中心钻钻完导柱毛坯的一边定位孔，换边钻导柱毛坯的另一边定位孔，不仅操作繁琐，且存在着同轴误差的情况，而应用气缸推动刀具，的中心线上。这样，在 L1线上任取一点 A，画45°斜线交 L3利用同步带两边进行自动加工，同时完成钻孔、倒角工序。线，得到点 C，那么 AC就是摆动杆的尺寸。摆动杆 AC只要在

（3）根据导柱毛坯送料、钻孔和倒角工序的实现，采用L4线上任意平移，都将是对称的。PLC电气控制系统进行自动化加工控制，全程避免人工操作，降低了工人的劳动强度，提高了劳动生产率。

（4）根据目前国家对环保的严格要求，实现绿色生产，在传动系统、夹紧系统的设计时采用气动技术。

四、设计过程

1.总体设计草图

设备预想由送料系统、下料系统、夹紧系统、加工系统以及出料槽系统五大系统组成。如图2所示，导柱加工送料机在感应开关的作用下，配合气缸的驱动，分别依次循环完成下料、换工位口、卡料、加工以及出料的五大动作。

2.送料系统设计

（1）送料系统轨迹分析。

送料系统是自动化生产设备和自动线中复杂程度较高而且难度较大的重要组成部分，因此一个好的送料系统除了要有足够的存储空间和输送效率外，还要能够对零件进行定向和定位，保证零件在送料系统的末端以正确的姿态进入后续的工作中。因此，采用周期摆动循环动作来实现循环送料是一种很简易的方案。

如图3所示，通过摆杆的周期摆动，将送料架上的棒料依次循环送到一个工位，从而实现送料及换工位的循环动作。

（2）摆杆长度设计。

如图4所示，已知摆板的2个缺口尺寸为了150mm，要使摆板摆动90°后前缺口和后缺口重合，旋转轴必须在2个缺口（3）双曲柄机构设计。为了实现送料的简易平稳，设计采用双曲柄机构（图5），两曲柄 AB、CD长度相等，且连杆 BC与机架 CD的长度也相等，呈平行四边形。双曲柄机构的运动特点是：当主动曲柄作等速转动时，从动曲柄会以相同的角速度沿同一方向转动，连杆则作平行移动。一个机构是否具有确定运动的条件是由机构的自由度和原动件数目来确定的。

平面机构是若干个构件用运动副连接而成的，各构件在相互平行的平面内运动。

运动副：两构件直接接触而形成的可动联接，运动副分为高副和低副，高副的接触形式是点和线，它具有两个自由度一个约束，低副具有一个自由度和两个约束。

自由度的计算公式是：F=3n-2PL-PH。

其中： n――活动构件数目； PL――低副数目； PH――高副数目。

根据上述自由度的公式计算： F=3×3-2×4-0=1，由此可知此机构的自由度为1。

自由度与机构原动件的关系： F=0，刚性桁架，构件之间无相对运动；原动件数小于 F，各构件无确定的相对运动；原动件数大于F，在机构的薄弱处遭到破坏。

由此得出机构具有确定运动的条件是：①机构自由度>0；②原动件数=机构自由度数。

机构的自由度就是机构的具有独立运动参数的数目。因此当机构的原动件数等于自由度数时，机构就具有确定的运动。所以该设备的上料机构的自由度为1，当给予一个动力时，机构就能满足机构的运动条件。

双曲柄机构，进行整周运转时，当曲柄与连杆及机架共线时在原动曲柄转向不变的条件下，从动曲柄会出现转动方向不确定的现象。本设计利用气缸推动齿轮齿条，带动曲柄旋转绕过共线位置，这样就可以解决上述运动不确定性问题，使双曲柄机构具有单方向顺时针旋转。

五、气压回路的设计确定

1.运动分析

（1）送料动作的气动系统：本课题所需要设计设备进行驱动时，在齿条的端部有一个气压缸进行驱动，需要完成的动作有：工进――快退。

（2）设备加工时夹紧机构气动系统：在机构的上部设有2个U型夹板实现夹紧棒料，气缸要实现的一个工作行程为：快进（夹紧）――快退。在一个工作行程中的动作为了工件夹紧有效，可以设计2个气缸来完成此动作。

（3）钻孔和倒角动作的气动系统：在棒料的左右两边各设有一个气缸，推动马达转动实现工作。气缸要实现的工作行程：快进――工件（夹紧）――快退，左右两边同时进行。

2.气压回路设计原理

根据运动要求得到系统的气动回路图，如图6所示。

动作顺序分析：Y0感应，气缸1动作实现送料动作；Y1感应，2个气缸2、5同时动作，推动马达转动，实现钻孔和倒角；Y2/Y3同时感应，气缸3和气缸4夹紧工件，实现夹紧。

六、设备PLC控制原理

PLC是本设备电气控制系统的核心模块，本机床PLC的控制部分为齿轮齿条、夹紧装置、马达以及快速退出机构机构组成，其中输入控制信号PLC，PLC将输入信号处理后输出控制信号给接近感应开关，控制器和快速退出机构，其原理框图如图7所示。

根据以上控制模块和设备控制要求，本课题选择台湾明炜VH系列PLCVH-16/16，该型号为基本单元，具有16点输入端子和16点输出端子，可满足本系统的控制要求，其编程指令和格式完全同于三菱FX2N，性能和编程软件比三菱更方便。该型PLC面壳是点阵LED，可作输入输出信号指示，既降低开发成本，又可用作用户报警屏，由用户自己编程控制报警信息显示。

根据设备需要实现的动作，本设备的程序I/0分配，如图8所示。

七、计算机设计效果图

计算机设计效果图，如图9所示。

八、整体实物样机制作展示

根据设计方案的指导，在目前学校现有的资源设备下，我们制作出一套接近设计要求的样机，如图10（实体装配图）、图11（整机侧面图）、图12（电磁阀控制面板）和图13（齿轮齿条传动位置）所示。

九、结语

本设计方案在自动化生产的指导思想下，利用机械机构、齿轮齿条传动、同步带传动、气动传动和PLC电气控制等关键性技术，实现加工需要。在对企业原有生产现场进行充分调研分析的基础上，设计出专门适用于导柱毛坯阶段自动化送料钻孔、倒角等多工位自动专用设备，大幅提升了生产效率，有效降低了企业生产成本，改善了一线操作工人的劳动强度和工作环境。

该设备试运行过程中，工作稳定，性能可靠，基本实现了预定的设计目标。

根据实际运行情况，目前主要存在以下几点问题：①气动驱动部件多，气源供应不足；②气动设备普遍存在的换气嗓音较大；③卸料处存在刚性撞击；④需要人工收料。

尽管存在以上问题，但给今后设计方案提出更大的改良空间，本设计案例能为其他机械设备的自动化设计提供一种参考思路，有一定的借鉴意义和推广价值。