车床自动送料系统设计方案.docx
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车床自动送料系统设计方案
车床自动送料系统设计方案
摘要：
数控车床是数字程序控制车床的简称，集万能型车床、加工精度高的精密型车床和加工效率高的专用型车床的特点于一身，是国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床。
数控车床可分为卧式和立式两大类。
卧式车床又有水平导轨和倾斜导轨两种。
档次较高的数控卧车一般都采用倾斜导轨。
其中以卧式数控机床应用最为普遍。
数控车床本身有效的解决了对于复杂车削零件的自动加工的问题，但是现在我国除了大型企业采用机器人等自动上料系统外，大部分的中小型企业仍然依赖于作业员对产品进行上下料操作，特别在对小型零件的中大批量作业时，作业内容的单调枯燥、劳动强度高、薪资报酬低，造成行业中人员流动性大，进而影响到产品的品质和交货期。
关键词：
数控车床；自动上料；自动送料系统；机器人上料
一、分析和研究
（一）项目分析
数控车床现今发展迅速，随着中国国内数控系统的日益优化，在中低端市场已经基本取代了日德系（如：
三菱、发那科、西门子等）的系统，而中国机床制造技术现今已经行成规模化、批量化生产。
对于大型机床的配套自动化设备，由开始的国外引进变为消化吸收后自主研发制作，并且相关自动化技术也趋于成熟。
但是在中小型机床市场，近年来虽然相关的自动化配套厂家也推出多款自动上下料系统，但是由于效率一般，价格偏高，并未得到很好的推广。
针对中小型机床所加工的中小型批量产品所采用的数控车床，专门设计一款效率高、成本低，并且在近似产品加工可以通用的送料取料系统，是本项目的核心原则。
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（二）市场调研
1.使用行业市场状况
①1国内机床工具市场结构也在快速升级。
2014年进口机床在全部机床消费额中的占比为34.0%，较2010年提高0.9个百分点。
2014年国内数控机床消费额占比为76.7%，较2010年提高6.9个百分点。
未来中国机床市场结构升级将向自动化、客户化和换挡升级方向发展。
②2受到结构升级和低端产品需求下降影响较大的车床分行业，其产量和销售量也逐年走低。
③（2014年中国机床工具行业运行分析预报,2015.01.05市场需求总量中的低端产品大幅下降，中高端产品“不降反升”，市场需求结构快速提升。
对比国内2013年和2014年同期金属加工机床的产值和数控产值情况，总产值同比下降2.9%，非数控产品产值同比下降17.8%，而数控产品产值同比增长3.4%.
④综上分析，数控加工车床在现在产业升降结构调整的大环境下，虽然自2013年开始制造业市场低迷，但是销量却不降反升，证明市场现有数控车床的需求呈上升趋势。
2.同类产品比较A（图一）
A1.——外观大气，结构简单；
采用行架式双轴机械手+回转气缸+2个
气动夹爪，来完成产品的上下料工作。
A2.——上料下料周期长，效率低（约
15s）；
机构的Z轴行程过长造成取放料周期时
间的浪费。
A3.——价格偏高（市场价格大约12万
1
《中国机床工具报》,2014年中国机床工具行业运行和市场分析报告,2015.3.62《中国机床工具报》,2014年中国机床工具行业运行分析预报,2015.1.5
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~18万左右）。
由于结构决定该装置要完成产品的搬送必须采用2轴机械手，并且需要辅助轴1个，成本较高。
A4.——操作调整简单；
采用加装PLC+触摸屏的控制方式，通过优化触摸屏的参数设定画面，可以方便学习掌握。
3.同类产品比较B（图二）
B1.——高端、灵活，产品限制少；
采用工业6轴机器人加上夹取装置上下
料，应用广泛。
B2.——上料周期长，效率较高（约10s）；
由于采用关节机器人，合理的布局可以节
约移到行程范围，并且对应加工时间较长并需
要多台机床联合加工的产品时，更为有利。
B3.——价格很高（市场价格大约18万~25
万左右）。
主要成本是工业机器人的价格，即使采用国产机器人本体的价格也在12万左右（代表机型广州数控，再加上其它辅助装置，价格没有下降空间。
B4.——操作调整简单，但对于调试员工技能要求高；
必须专门做培训机器人操作的培训才能掌握使用技巧，当公司台数不多时，成本太高。
4.实地考察
通过公司业务网络，选取国内数控车床生产及使用的集中区域实地调研，通过与当地政府及机床行业协会交流，并从代表性企业了解到：
①该地区机床行业协会会员企业共有72家，其中直接机床制造企业有69家，主要以生产数控机床为主，普通车床的产量也如调查结果所示数量呈下降趋势。
②其中选取的代表企业制造销售数控车床年产量在1200台以上，现在数控车床以斜轨式床身为主，其主要客户以汽车行业、电机行业为主。
③现有客户已经不仅仅满足于数控机床的便利性，更希望达到省人化的要求，对于形状特征简单、加工时间短（约10S）的小型零件，需要频繁
3/13上下料，自动化要求尤为迫切，而数控机床厂商现有技术实力大部分只局限于机床本体的设计制作，对于自动化装置的设计无法独立完成，迫切需要自动化装备的合作厂商一起研发，推进机器换人工作的节奏与步伐。
③现在面临主要问题为：
为降低成本及满足批量化生产要求，加工产品的原材料以冷锻热锻件为主，产品规格主要集中在直径15~45mm，长度这样的零散材料造成不能采用主轴后端连续送料方式解决，现在的主要方式为关节机械人和行架方式机械手两种方式，送料时间远大于实际的车削时间，效率过低，并受其结构限制成本压缩空间小。
（三）调研总结
从实地考察的结果更能反应市场对于自动化送料装置的迫切需求，机床制造厂商明确表明了合作的意图。
但是要突破现有送料方式（行架式送料、关节机器人送料），设计出一款效率更高、成本更低的自动送料装置，也实际反应了本课题的难点。
1.同类产品功能、价格分析
①完成圆柱形零散类车床加工零件的自动送料，对应范围广；
②效率较低，现有效率需要循环时间在10S以上；
③价格高，在12万~25万的区间。
2.方案设计的目的、要求
完成圆柱形零散类车床加工零件的自动送料，对应范围：
直径
15~45mm，长度40mm以内；突破现有自动化装置的效率，控制成本提升产品性价比。
二、方案设计
（一）功能定位
1.加工产品范围
直径15~45mm，长度40mm以内的圆柱型原材料。
2.使用机床规格（图三、图四）
根据产品尺寸，选取代表机型CK6132数控车床（排刀式）作为本项目的代表机型。
图三：
无外罩3D模型
图四：
有外罩数控车床外
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3.功能及价格要求
①完成圆柱形零散类车床加工零件的自动送料。
②送料循环时间控制在8S以内（提高现有方式效率20%以上）。
③结构简单，调整维护方便。
④控制成本，制造成本控制在7.38万以内（12x0.8/1.3；[0.8]——现有价格降低20%；[1.3]——公司基本利润指标）。
（二）设计思路
市场上现有送料方式无论技术还是成本控制已经趋于成熟，所以只有从设计上寻找突破口，找出更直接简单的方法，才能在满足使用性能的前提下降低成本。
①行架式搬送机构和关节机器人虽然对应范围广泛，但是经过市场调查与客户沟通，本项目已经明确了要对应的产品尺寸范围（2.1.1所述），备料的方式是否可以优化？
②方案的最终目的是将待加工的原材料，送入车床的主轴卡盘，卡盘夹紧后自动加工。
能否缩短产品的搬送来节省搬送时间？
③搬送方式是点（取料位置）对点（主轴卡盘）搬送，是否必须使用2轴机械手才能完成？
有没有更简单的方式？
（三）设计优化
1.备料方式的优化
由于要加工的产品为圆柱型，可以采用振动盘送料或者回转圆盘送料
机3（图六）作为备料机构。
相对于现有的矩阵孔板（图五）的方式，上料
3自动回转圆盘送料机，公司已有专利，专利号：
ZL201320709607.8
图五：
矩阵孔板方式图六：
自动回转圆盘送料机
更为简单。
通过上图可以看出，矩阵孔板方式要求把原材料一个一个的放入相应孔位，以方便机械手定位取料；而回转圆盘送料机（公司既有成熟案例）则只是需要将原材料按方向摆入圆盘内即可。
2.搬送位置的优化（图七）
如上图所示，要想节省移送距离，只有选择尽量靠近主轴的卡盘位置作为待料位，才能减少搬送距离和搬送时间；利用倾斜的轨道使产品滑动到主轴卡盘上端的待料位置，这样在执行送料时，免去了到备料位置取料的步骤，机构简单节省搬送时间及成本。
3.搬送方式的优化
将原材料通过轨道直接输送到主轴上方，然后由上料装置切出后送入主轴卡盘内。
如果这样就可以简化送料步骤：
现有方式（不含完成品取出）：
①Y向下降取料（矩阵孔板位置）→②将待料位置的原材料通过气动三爪夹紧→③Y向上升（上升过程回转气缸回转，将材料垂直方向变更为水平方向）→④X+Z向平移至主轴上端→⑤Y向下降至卡盘位置⑥Z向前进，材料送入卡盘，卡盘夹紧、气爪松开→⑦Z向后退，送料退出→⑧Y向上升至待料位置→⑨X+Z向平移至取料位置→返回①循环
优化后动作流程（不含完成品取出）：
①将原材料从轨道切出（切出的同时，弹簧拨杆位置变化，带动弹簧压板压紧产品）→②下降到主轴中心位置→③Z向前进，材料送入卡盘并夹紧→④Z向后退，送料退出→⑤送料机构上升至待料位置→返回①循环
如上所述，优化后的流程更加简单，效率更高，预计整个送料时间约5S，完全满足项目要求时间（10s以内）
（四）结构布局
要完成整套车床自动送料系统应该包含：
备料装置、搬送或传送机构（将原材料送至待料位置）、材料送入卡盘装置（上料装置）、完成品的取出装置。
产品加工完成后的取出装置，经研究决定采用卡盘内增加弹簧弹出机构，将完成品直接弹出卡盘，由取料装置取走。
（由于结构简单，故不在本方案书中详细说明）
1.备料装置及传送机构轨道位置
备料装置（自动回转圆盘送料机）最好能够与机床连接在一起，并且在出厂搬运时不需要拆分，依据现有机床结构图的分析，数控车床的本体实际上体积还是比较小的，为对其整体防护，在考虑机床移动行程的基础上，造成机床外罩的钣金实际外形尺寸都比较大，与机床本体间有足够空间来安装备料装置。
经过现场确认实际的机床尺寸及相关位置，选取机床的左后方作为备料装置的安装位置（与机床厂家沟通，此处的钣金结构可以根据要求修改）。
相关布局图纸如下图所示（图八、九、十）：
修改后的钣金部分图片，和安装备料机构后的图片。
2.上料装置安装位置的确定
确定了待料位置在主轴卡盘的正上方，那么上料装置以主轴卡盘位置作为设计的基准参考位置，恰好主轴箱的上方拥有安装平面，确定以此位置作为上料装置的安装位置，并展开本项目的核心上料装置的相关设计工作。
经确认主轴箱上方平面有做
过机械加工，可以作为安装基准面（见附图十一：
红色示意位置）。
（五）上料装置的动作分析
上料装置要完成的动作：
夹持产品、垂直下降至卡盘中心位置、Z向推入材料至卡盘、Z向退出、上升回到原点位置待料。
本次设计采用从后到前的顺序，先确定将材料推入卡盘的动作结构，然后再分析如何完成相应的动作。
（六）夹持与推入结构设计①由于原材料是圆柱体，夹持的结构抛弃原来价格高昂的气动三爪的方式，采用弹簧压板+V型块定位的方
式，这样可以简化机构而不需要专门的驱动元器件驱动（如图所示）。
原材料从导轨直接滑落到V型块中定位，机构向下移动时弹簧拨杆脱
图九：
左后方的钣金部分备料机构安装位置
图十：
备料机构安装好后的
开，弹簧压板在弹簧力的作用下就可夹紧材料。
②由于采用上述方法夹持，原材料的推入就变得简单，只需要1个顶销就可以将之从V型块中推入卡盘（图十三）。
需要考虑的问题：
为节省循环时间，最好可以在主轴不停止回转的状态下将产品推入，弹簧压板+V型块可以允许产品送入过程中和卡盘夹持瞬
间所带动的原材料回转，但是顶销与原材料的端面是一直接触的，会产生回转摩擦力，可能会引起送料不稳定。
那么如果顶销可以和原材料一起回转，就可以解决这个问题；设计顶销安装时，追加轴承来保持，就可以完美解决相应问题。
虽然结构简单，但是可以节约主轴的起停时间，而主轴不需要频繁起停的同时也大大延长了主轴电机的寿命。
（七）上料装置的结构设计
①经分析，上料装置要完成的动作包括：
带动产品下降至主轴中心位置及返回，顶销Z向推动原材料到卡盘内，并在卡盘夹持后退回。
②动作分析后，实际上完成上料动作，只需要2种动作，升降动作为主运动，行程为待机位置至主轴中心的距离，顶销的Z向运动，动作方向与升降动作为垂直交叉，可以采用曲柄转换动力，将2种动作由1个驱动元件驱动。
③为防护动作的机构和安装方便，采用铸造箱体作为上料装置的壳体，其他的所有机构单元都安装其内。
1.上料装置——保持架单元（图十四）
保持架单元主要由：
保持座、曲柄、顶销安装连接板、顶销组、V型块安装连接板、v型块组、导柱长度调整螺母、及相关导柱和复位弹簧组成。
2.上料装置壳体及总成
上料装置的壳体除了收纳安装保持架单元（图十五）外，为保证动作的稳定性，还要追加相应的传感单元，确认动作是否到位；为方便安装，还要有相应的调整单元。
①（图十六）上料装置由1个驱动气缸驱动保持架单元做升降运动，当保持架移动到底端时，曲柄复位弹
图十五
簧被压缩，曲柄将向下作用力转换为向后作用力，由导柱带动连接板及其上的顶销做Z向运动的同时，将V型块内所夹持的原材料推入卡盘。
②（图十七）卡盘夹持材料后，气缸驱动保持架单元做上升运动，首先释放曲柄复位弹簧，使顶销后退，然后整个保持架单元整体上升，回到原点位置待料。
③调整检测铜螺栓的作用除了对顶销的推入深度进行限位外，在导杆与调整铜螺栓接触的同时，可以通过作。
与主轴箱连接板图十七：
各机构初始位置前后调整螺栓驱动气缸5V电信号导通的方式，反馈送料到位信号，控制系统接收后执行下一步动三、设计说明送料系统安装后整体图（图十八）上料装置原材料导轨由回转圆盘送料装置送入
（一）完成品取出装置导轨宽度调主轴卡盘车刀刀架整图十八
（二）自动送料系统组成整套车床自动送料系统包括：
备料装置（自动回转圆盘送料机）、输送机构（传输皮带线+倾斜导轨）、上料装置、完成品的取出装置组成。
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预计整套系统的送料时间在5S以内，（三）自动送料系统成本整体设计完成后根据BOM清单，制作成本预算。
备料装置——已知成本18000，加工零件费用——约26000元采购标准件费用——约8000元（气缸、电磁阀、导柱、衬套等）电气控制系统采用现有数控系统2次开发，硬件不需要投入；人工成本按公司工时计算原则：
预计工时60HX100元/H=6000元。
综合成本预计共计：
58000元。
四、设计总结设计方案评审
（一）以上设计方案可以满足特定用户特定范围内产品的生产要求，结构简单、效率高（送料循环时间约5s）满足设计要求（8S以内），安装调整方便，方案制作预算（含人工成本预算约5.8万元），满足设计要求（7.38元以内）。
（二）方案创新要点（图十九、二十）①该设计突破了市场现有车床自动送料方式方法，从根本需求分析设计目标，简化了已有送料的方式，上料装置的集成使搬送距离短、动作少，及主轴电机不停止的上料结构设计（图十九），大大缩短了送料时间，提高图十九了送料效率。
图二十②由于结构简单，占用面积更小，并且可以在数控机床本体上直接安装，不会额外占用空间位置（图二十），该送料系统安装调整方便，维护简单。
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③该设计方案只有上料装置壳体加工稍微复杂，其它零件形状简单，所采用的标准件少，综合成本更低。
ii参考文献及标准：
（1）G4020《GB/T4020-1997卧式车床精度检验》
（2）J4368.2《JB/T4368.2-1996数控卧式车床参数》（3）J4368.3《JB/T4368.3-1996数控卧式车床技术条件》12/13
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