电机端盖生产流程的自动化加工方法研究

罗云丽，罗颖飞，林 松

（1.梧州职业学院，广西梧州 543000；2.广州市广数职业培训学院，广州 510700）

在当前技术背景下，制造业正在逐渐向着自动化生产方向靠拢，相较于传统的人工制造，自动化生产能够显著提升零件的制造效率与制造质量，同时还能在一定程度上降低制造成本。电机零部件生产属于典型的劳动密集型产业，用工成本、管理成本均相对较高，使其向自动化加工、生产方向转型具有较强的必要性。在西方发达国家，电机零部件生产基本已经实现了较为全面的自动化，但是需要依靠西门子系统数控机器人等先进设备，其综合配置成本相对较高。本文在国内现实情况的基础上，拟从加工装备、总控系统2 个方面提出电机端盖生产流程自动化加工的具体设计方法。为了实现这一目标，首先需要对电机端盖加工工艺进行综合分析。

1 电机端盖加工工艺分析

1.1 电机端盖加工工艺要求

电机端盖自动化加工整体上需要满足基准统一、参数设定准确、布局格式合理的基本原则。

从细节角度讲，电机端盖加工工艺应当满足以下基本要求：①输送系统设计要求。电机端盖成品属于典型的圆盘状零件设备，其形状具有一定的特殊性，输送系统应当能够满足盘类零件的输送需求，线速度应当控制在一定范围内，整体运行平稳。图1 为电机端盖的结构框架图。②机器人设计要求。抓取机器人应当能够满足盘类零件的夹持功能，动作灵活，原则上应当采用夹持力度较强的气爪夹持，在气爪上应当安装感应开关，对手爪夹持物料情况进行全面检测。③定位系统设计要求。该自动化系统应当具有较强的定位准确性，即抓取准确、输送准确，这是保证自动化系统效果能够顺利实现的重要基础。④储料系统设计要求。应当能够适合盘类零件存储，同时便于机器人抓取。⑤系统应当具有缓冲装置，防止端盖设备受到冲击与破坏[1]。

图1 电机端盖的结构框架图

1.2 电机端盖加工工艺流程

本文为了提升设计质量与实用性，在传统工厂生产的基础上，遵循“ECRS 四个基本原则”，利用IE 方法对其加工工艺进行改进。

在当前端盖生产过程中，其加工工艺如下：①双面车削。通过一台车床来实现端盖前端面、后端面的车削作业。②多向钻孔。通过一台摇臂钻床实现钻端盖凸台孔。③攻丝。通过一台摇臂钻床实现攻丝。④中心孔滚压。通过一台摇臂钻床，将钻头替换成滚压头，完成端盖中心孔滚压作业[2]。

在原加工工艺流程的基础上，为了使其更加适合自动化生产加工作业需求，本文对其进行了如下分析与调整：①双面车削。在传统技术背景下，需要逐步完成前端面车削、更换夹具、后端面车削，其整体耗时相对较长。为了提升加工效率，本文决定增加1 个机床，同时进行端盖前端面、后端面的加工，相较于传统加工技术，该操作思路能够减少夹具更换操作，为自动化生产提供流程基础。②多项钻孔、攻丝。在传统技术背景下，这2 种操作分别由2 台摇臂机床来实现，其整体工作效率相对较低。通过分析可知，这2 道工序均较为简单，为了提升加工效率，可以将其合并成一道工序，能够在一定程度上提高加工效率。③中心孔滚压。在传统技术背景下，中心孔滚压需要利用一台将钻头替换成滚压头的摇臂钻床，其工作难度相对较低。为了提升工作效率，本文决定引进1 台专业滚压机，并将端盖夹具、滚压机工作台进行合并设计，滚压机只需要保留Z轴上下移动、滚压头自转2 个自由度即可实现较好的滚压作业质量，整体设计难度相对较小，同时制造成本也能够达到较低的水平[3]。

2 电机端盖生产流程自动化系统整体方案设计

2.1 自动化生产线构建

端盖自动化加工生产线采用模块化的方法进行设计，即将每个工序分解为独立的控制单元，其具体结构包括自动化机加工工作站、工业机器人上下料系统、输送系统、端盖换面系统、传感器与控制系统和自动生产线总控台。

各个子系统的设计内容如下：①自动化机加工工作站。执行双面车削、多向钻孔、攻丝和中心孔滚压等全部的机械零件设备加工作业，其内部的机械设备包括数控机床、加工中心、滚压机和气动自动开关门装置。②工业机器人上下料系统。通过机器人手爪完成上下料作业，为了实现这一目标，需要配置2 套不同夹紧方式的端盖夹具。③输送系统。输送系统是工序之间的纽带，需要将各个机加工设备、工业机器人串联，调节整个系统的生产节拍。④端盖换面系统。在实践中，需要同时加工端盖正反两面，端盖换面系统的功能是辅助换面，主要结构包括端面放置位、端盖到位检测系统。⑤传感器与控制系统。主要包括大量传感器设备及控制系统，能够收集工艺流程的各种信息，并对其进行自动检测与控制。例如，在端盖进入输送线之后，需要借助传感器系统判断下一道加工工序提供的端盖零件是否在线，如果不在线则没有输送到位，如果在线，则需要判断下一道工序机床是否加工完成，如没有加工完成则需要继续等待，加工完成则直接进入抓取、加工工序。⑥自动生产线总控台。负责所有生产信号的汇总及生产指令发出，具体功能包括急停及预停功能、过程控制功能、报警功能、启动功能、停止功能、暂停功能、复位功能、短路保护功能、电压保护功能和超节拍保护功能[4]。

此外，在当前机械加工行业中，自动化生产线类型主要包括直线型自动化加工生产线、“L”型自动化加工生产线、“U”型自动化加工生产线3 个主要类型，其基本结构原理存在一定差异，需要根据生产空间特点进行确定[5]。

2.2 控制系统构建

控制系统需要实现整条电机端盖自动化生产系统的有效控制，电机端盖自动化生产系统共包括4 道工序，因此，可以将控制系统分为开关量控制、网络通信控制2 个主要部分，其具体设计思路如下。

在开关量控制方面。该部分系统需要承担端盖换面检测控制、输送线系统启/停控制、工业机器人上下料控制的基本功能。以端盖换面为例，其工作流程如下，首先，凹槽中布置的光电传感器感应到端盖信号，并将感应到的信号传送到PLC 中，经由有效处理之后发出反馈信号，凹槽收缩夹紧端盖，机器人旋转到端盖背面将其夹紧。其次，机器人将夹紧信号传送到PLC 中，经由有效处理之后发出反馈信号，气缸电磁阀失电、凹槽放开端盖、机器人取出端盖，整个流程到此结束[6]。

在网络通信控制方面。该部分系统承担机器人控制器、数控系统等设备实时数据的采集工作。本文决定选用GPC1000 为主控核心，采用GSK-Link 控制总线实时控制伺服单元、I/O 单元，结合自动化机加工设备、工业机器人、输送线组成一体化的主从网络通信控制系统架构。

3 电机端盖生产流程自动化系统具体设计

3.1 输送线系统设计

输送线系统属于整个系统的核心组成部分，其任务为使工件按照一定生产节拍实现工件在机床之间的输送，结合实际情况，本文决定将输送装置设计成直线型，加工设备布置在输送线一侧，同时设定定位装置保证工件输送作业的稳定运行。输送系统的基本参数为：输送线1 传送长度为1 m，输送线2 传送长度为11.5 m，输送线3 传送长度为1 m，传递过程中的额定功率为0.8 kW[7]。

3.1.1 传动系统设计

在工业生产过程中，常见的传动类型主要包括带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动4 种基本类型，其中，链传动整体制造成本相对较低，同时能够适应更加复杂的工作环境，且具有输出平稳、传动效率高等重要优势。综合实际情况，本文最终选定链传动作为传动系统的技术类型。

输送线1 为主传动设备，其链传动设计思路如下：①传动运行功率计算。计算公式为Pc=KA·P，其中，KA表示工况系数，数值为1；P表示额定功率，数值为0.8 kW。②电机功率计算。计算公式为，其中，KZ表示主动链轮齿数系数；KP表示单排链系数，数值为1。③链条型号与节距确定。结合功率、转速等数据，本文选择10A 链条，节距为15.875 mm。④链节数计算。计算公式为，式中，p表示链节距；z1表示主动链轮齿数，具体数值为17；z2表示从动链轮齿数，具体数值为43；a0表示中心距，数值为635 mm。⑤中心距计算。按照链节距计算中心距。⑥运行速度计算。计算公式为其中，z1表示主动链轮转速，具体数值为70 r/min。⑦输送装置拉力计算。计算公式为F=1 000×P/V。⑧压轴力计算。计算公式为FQ=KQ·F，其中，KQ表示压轴力系数，具体数值为1.15。⑨低速链传动静强度计算。计算公式为S=FQ·m/KA·Ft≥4~8，其中，FQ表示单排链条极限拉伸荷载；m表示链条排数；Ft表示输送机工作拉力。⑩润滑方式选择。人工润滑。11○电机选择。选择型号为180SJM-M060GH 的伺服电机，其具体数值为额定功率1.26 kW、额定转矩60 N·m。

最终确定数据为：①链条节距为25.4 mm；②链节数为102 个；③链条长度为2 590.8 mm；④中心距为1 028.7 mm；⑤速度为0.25 m/s；⑥润滑方式为定期人工润滑。

3.1.2 轴设计

3.1.3 定位设计

输送系统定位控制的定位设计思路如下。本文选择闭环系统，由伺服驱动，交流伺服电机闭环位置控制具有位置、速度、电流三环测量及比较反馈控制环节。从系统整体运行逻辑来看，只有端盖摆放、朝向确定，工业机器人的抓取才能保证足够的准确性，因此，本文需要设计2 个位置定位，其中之一是端盖在输送线上的位置定位，由机械设计定位完成，另外一个是端盖输送到位的定位，通过传感器检测来实现[8]。

3.2 集成控制系统设计

3.2.1 生产线集成控制系统硬件设计

生产线集成控制系统硬件主要指的是可编程控制器（PLC）、触控板等。

在本文中，PLC 的主控核心选择广州数控GPC1000。广州数控GPC1000 的硬件接口主要包括运行状态指示灯、GSKLink 总线接口、GSKLink 连接状态指示灯、以太网接口、RS232、编码器接口、电源指示灯、24 V 输入电源、接地柱、4 位拨码开关、输出位状态指示灯、输出端子、输出位状态指示灯和输入端子。同时，该系统主要具有以下几个基本特点：①GPC1000 是在成熟的数控技术平台基础上研发的，其性价比与可靠性均较为优越。②能够并行4 通道16 个伺服轴运动控制程序。③指令集丰富、功能较多。④存在2 种控制方式，能够适应多种使用场景[9]。

触控板型号选择MT5520，其性能较为优越，技术参数内容见表1。

表1 MT5520 触控板技术参数

传感器同样也是重要的硬件系统。不同位置选择不同的传感器，在本次研究中，机器人手爪抓取端盖时，手爪顶部、端盖表面缝隙较小，因此可选择电感式E2E-X10MY1 接近开关，能够实现非接触式检测目的。

3.2.2 生产线集成控制系统软件设计

生产线集成控制系统软件选择GPCCFG 来实现，该软件具有数据共通化、操作性强、调试功能丰富等优势。

输送程序设计流程为：第一阶段，机器人1 从上料转盘夹持毛坯件到机床1 的装夹处；取出加工完成后的端盖；旋转手爪将另一待加工的端盖放入其中进行加工；将已加工的工件送至输送线1 的换面位进行装夹；机器人1 将换面完成的工件放入输送线系统；返回上料转盘循环工作。第二阶段，机器人2 运动到输送线1 的取料位；机器人2 夹持端盖送入机床2 加工；机器人2 利用另一手爪取下加工完成的端盖；旋转手爪将另一待加工的端盖放入其中进行加工；将已加工的工件送至输送线2 的换面位进行装夹；返回上料转盘循环工作。第三阶段，机器人3 配合加工中心、输送线3、机器人4 配合滚压机完成相应工作，直到最终加工完成。

4 结束语

纵观全文，本文结合实际情况，设计了一种电机端盖自动化加工的工艺流程，将硬件、软件的基本实现思路进行了剖析，并进行了简单的分析，发现该系统能够在一定程度上提升电机端盖制造质量，值得相关学者对其开展进一步深入研究。