石墨碳块复合加工机床及碳块自动输送装置的研制.pdf

2 0 1 2年 1 1月 第 4 O卷 第 2 2期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAULI CS NO V．2 0 1 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 2 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 2 ． 0 0 6 石墨碳块复合加工机床及碳块 自动输送装置的研制 刘桂芝 ，常宁 ，杨文亮 ，李小笠 ，冯虎 1 ．南京工程学院，江苏南京 2 1 1 1 6 7 ； 2 ．江苏泰克曼传动设备有限公司，江苏南京 2 i l l 0 0 摘要为实现核能内构件石墨碳块的复合加工及毛坯自动输送，设计专用设备。通过分析碳块的加工工艺及确定设备 整体方案，对其内部的机械结构采用等强度可靠性设计方法，选用高精度、质量可靠的机床配套件，实现碳块复合加工及 坯料输送的自动化。从原理和结构上对复合加工机床的配置、输送系统的设计要点进行了较为详细的论述。该设备已在加 工单位调试使用，效果良好，满足用户对碳块加工精度及整机自动化的要求。 关键词石墨碳块；复合加工机床；毛坯输送装置；机械手；柔性工装 中图分类号T G 6 5 9 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 2 0 1 5 4 De v e l o p me nt o f Co mpo s i t e M a c hi ne To o l a nd Au t o ma tic Tr a ns po r t a tio n S y s t e m f o r Gr a p hi t e Ca r bo n L I U Gu i z h i ，CHANG Ni n g ，YANG We n l i a n g ，LI Xi a o l i ，FENG Hu 1 ． N a n j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 1 1 6 7，C h i n a ； 2 ． J i a n g s u T e e m e n T r a n s mi s s i o n E q u i p m e n t C o ． ，L t d ． ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 1 1 0 0，C h i n a Ab s t r a c t T h e s p e c i a l e q u i p me n t w a s d e s i g n e d f o r t h e c o mp o s i t e ma c h i n e o f g r a p h i t e c a r b o n a n d i t s a u t o ma t i c t r a n s p o r t a t i o n ． T h e r e a l i z a t i o n o f t h e g r a p h i t e c a r b o n ma c h i n i n g a n d i t s a u t o ma t i c t r a n s p o r t a t i o n wa s b a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y a n d t h e s c h e me d e c i s i o n for t h e w h o l e e q u i p me n t ．E q u al s t r e n g t h r e l i a b i l i t y me t h o d w a s a d o p t e d t o d e s i g n t h e i n n e r me c h a n i s m．Hi g h a c c u r a c y an d q u ali fi e d ma c h i n e t o o l a c c e s s o r i e s w e r e u s e d ．T h e c o n fi g u r a t i o n o f t h e c o mp o s i t e ma c h i n e t o o 1 ．a n d k e y d e s i g n p o i n t s we r e s t a t e d i n d e t a i l f r o m t h e p o i n t o f t h e p r i n c i p l e a n d s t r u c t u r e ．T h e r e q u i r e me n t for t h e ma c h i n i n g a c c u r a c y and i t s a u t o ma t i c t r a n s p o rta - t i o n p e r f o r man c e a r e a c c e p t e d b y t h e c u s t o me r ． Ke y wo r d s Gr a p h i t e c a r b o n；Co mp o s i t e ma c h i n e t o o l ； Tr a n s p o rt a t i o n d e v i c e f o r r o u g h；Ma n i p u l a t o r a r t fl ；F l e x i b l e fi x t u r e 生产过程高效 自动化以及如何实现加工过程低碳 环保是当前制造技术发展的主要趋势。现在国内碳块 加工大多数还是采用传统的加工手段，其 自动化程度 和机床的防护能力远远不能满足碳块加工行业 的需 求。针对这一问题，根据用户加工要求及石墨碳块的 结构特点，采用由石墨碳块复合加工机床及零件坯料 自动输送装置组成碳块加工单元 ，完成碳块 的加工， 改变了石墨碳块传统加工的工艺路线，解决了加工周 期长、工序周转困难、加工设备分散、占地面积大、 工人劳动强度大和加工效率低等问题 ，实现了石墨碳 块从坯料进线到完成零件加工的自动化过程。 1 总体方案 随着数控机床向高速、精密、柔性、复合、智能 和环保方向发展，机床的布局早已突破传统的布局形 式。考虑碳块加工的特点及结构特点 ，采用卧式加工 中心和数控磨床复合的方式，组成复合加工机床；在 数控分度工作台上安装电永磁吸盘和工装的定位装 置，实现加工零件工装系统的定位装夹 ；由零件毛坯 输送机构及工序一、工序二工装夹具组成柔性工装系 统 ；由机械手及装在其上的电永磁吸盘完成零件装夹 及工序转换，实现碳块的加工及输送的自动化。通过 以上配置及柔性工装系统，实现工序一、工序二装夹 的自动转换 ，使碳块加工工序集中，实现由一台多功 能复合数控加工机床完成多台普通机床的加工能力， 避免了由于工序转换及重复装夹而造成的对碳块加工 精度的影响。石墨碳块复合加工机床及自动线输送装 收稿 日期 2 0 1 1 1 1 0 8 基金项目南京工程学院引进人才科研启动基金资助项 目 Y K J 2 0 1 0 0 6 ；江苏省第七批 “ 六大人才高峰”资助项 目 2 0 1 0 ． J X Q C - 0 2 0 作者简介刘桂芝 1 9 6 4 一 ，女，学士，研究员级高级工程师 ，主要从事数控机床的设计与开发工作。Em a i l l g z ． 1 9 6 4 1 6 3 ． c o m。 l 6 机床与液压 第4 0卷 置由以下几部分组成主机系统、柔性工装系统、机 械手及零件坯料输送装置。总体结构如图 1 所示。 主机 柔性工装系统 机械手 零件坯料上料输送线 图 1 总体结构 2 主机加工系统的设计 2 ． 1 零件及加工要求 图 2 为待加工零件 ，需加工 的部分是 两侧倾 斜 l 2 。 的斜面 、上下两大平 面上 的圆孔及腰形孔 。 工序安排 工序一 在工序一加工 中，以面 A为基准 ，在夹 具中自动对中，顶紧面 加工两侧倾斜 1 2 。 的斜面， 达到加工要求 ； 工序二将工序一夹持好的工件及工装套装到工 序二工装中并翻转，夹紧定位后 ，加工图 1中主视图 的上平面和下平面上的各个孔、槽等，达到加工要求。 图2 加工零件 2 ． 2 复合加 工机 床 的组成 根据上述工艺分析 ，主机确定为全 闭环控制的卧 式加工中心 4 0把刀与数控磨床复合 面对面 的方式 ，并且在 数控拖板 滑 台的 C N C分度 工作 台上 安装 电永磁吸盘及工装定位装置 ，实现对零件的 自动 定位装夹，由数控磨床的端面磨头对碳块的 l 2 。 斜面 进行磨削，完毕后，由拖板滑台将工序一零件及工装 送到机械手操作区进行重新安装后，再进入卧式加工 中心的加工区域，对碳块上下平面上的孔 、槽进行钻 削 、连续铣削及 镗削等 。 由于碳 块精度要 求高 ，主机 系统 内配 置远 红 外 自动 测量装置 ，测 头装在 卧式 加工 中心 刀库 的一个 刀位 上 。需要测量 碳块工件 的某一 尺 寸时 ，机 床 可 以通 过 程 序 调用 安装 测头 的刀 位 ，转 换 到 工 作 位 置 ，按设定的程序测量需检测的部位。如果尺寸有 偏 差 ，根据测 得的实 际尺 寸进 行 刀具 自动 补偿 。在 自动加工循环过程中，工件进行测量需在停机状态 下进行 ，对生产率有一定影响。因此 ，可根据被加 工零件的尺寸精度和刀具磨损规律，加工若干件后 测量一次 ，既可保证零件的加工精度 ，又减少停机 测 量对生产 率的影响 。 复合加工机床的主机配置如图3所示 ，由卧式加 工中心、拖板滑台、C N C回转工作台、电永磁吸盘 、 数控磨床组成。 第 2 2期 刘桂芝 等 石墨碳块复合加工机床及碳块 自动输送装置的研制 1 7 卧式加工中心 拖板滑台 c N c 回转工作台 电永磁吸盘 夹具工装 数控磨床 图3 复合加工机床 3 坯料运输系统 如何实现碳块加工过程中机械手对加工工序的转 换及零件坯料的运输，是实现碳块加工 自动化的重要 机械手 保证。具体结构如图4所示 ，由机械手、零件坯料上 下料站、工序一工装 、零件毛坯输送线、工装翻转机 构 、工序二工装等组成。 零件坯料上料站 工序一 零件毛坯工装翻 工序二 电永磁 C I C 回转 工装 输送线 转机构 工装 吸盘 工作台 图4 零件运输系统 3 ． 1 零件坯料输送机构 在这套 自动化加工单元中，除在工序一、工序二 转化过程中有少量的人工干预外，要求碳块从零件毛 坯上料站到完成石墨碳块的全部加工 自动进行。设计 时确定由带有绝对编码器的伺服电机驱动的高精密滚 珠丝杠带动拖板来实现零件的运输。为了保证运动的 精度和灵敏度，运输机构的基座采用钢板焊接 ，经时 效、磨削加工导轨安装基面，采用高精度的滚动导轨 实现零件的准确运输。 3 ． 2 机械 手 需加工坯料经物料输送机构运送到工序一工位 机械手行程工作位 后 ，操作者将工序一工装 的 盖板装夹、拧紧，由机械手 手臂上带有 电永磁吸 盘将装夹好 的零件安装到主机系统的 C N C工作 台上 ，进行零件的加工。选择瑞士 G U D E L公 司的 Z p - 6型机械手 ，承载质量 1 0 0 0 k g ，行程 7 0 0 m m， 定位精度 0 ． 0 1 m i l l ，以满足碳块工装运送及工序转 换的需要。 l 8 机床与液压 第4 0卷 3 ． 3工装 夹具 系统 高温气冷反应堆用石墨碳块做慢化剂，组成核反 应堆堆内构件 ，其结构特点是几何形状接近、长度尺 寸分散、精度要求高。根据石墨碳块在反应堆内的位 置分成大、中、小 3 种规格系列，每种系列石墨碳块 的加工工装组成一种柔性工装系统，由工序一、工序 二工装 、工装翻转机构组成 ，并根据碳块加工顺序安 排在机械手的工作行程内。如图4 所示。由机械手来 实现加工工位之间、复合加工机床拖板滑台之间的转 化。机械手将工序一装夹好的零件放到 C N C工作台 上的电永磁吸盘上定位夹紧并进行加工。完毕后 ，回 到机械手控制位进行工序转换 ，经机械手实现将工序 一 工装夹具及零件整体套装到工序二工装中，并由工 序二工装下 面两侧翻转气缸控制实现工序二工装的翻 转，将装夹好的工序二工装由工序一的水平位翻转为 竖直位。通过机械手进行工序二工装 的再定位 ，经电 永磁吸盘夹紧后 ，进入主机加工区，完成石墨碳块剩 余部分的加工。 在碳块工序转化过程 中，由于最大限度地减少 了 零件加工过程中的重复装夹，减少了零件加工的误差 积累，确保石墨碳块高加工精度的要求。 4系统工作过程 石墨碳块复合加工机床及零件 自动输送装置完整 的工作过程在毛坯输送线起始位置将待加工的碳块 坯料由专用夹具 真空吸盘 放人工序一工装 中， 运送到机械手工作位，机床操作者将工序一工装夹 紧；带有电永磁吸盘的机械手将装夹好的工序一工装 系统运送到主机 C N C工作台上的电永磁吸盘上 ，实 现对零件工序一工装的自动定位及装夹 ；主机系统中 的盘式磨头对碳块的大平面 两个 1 2 。 斜面进行磨 削；完毕后，工作台进入机械手操作区，由机械手将 工序一工装系统整体吊装到工序二工装中，操作者将 工序二工装夹紧；工序二工装翻转机构将工序二工装 系统整体翻转 9 0 。 ，机械手将翻转好的工序二工装系 统运送到主机 中 C N C工作 台上 的电永磁 吸盘 上进行 重新定位安装 ，由卧式加工中心完成碳块剩余尺寸的 加工。全部加工完毕后，由机床的 P L C控制，完成 工件 的下料并 开始下一个工作循环。 5结束语 石墨碳块复合加工机床及 自动线输送设备采用模 块化设计 ，机床可以完成零件的铣 、钻 、铰、攻丝、 镗孔及大平面磨削等各种复合工序的加工，具有很强 的通用性 。虽是针对石墨碳块 自动化加工而设计制造 的 ，但 由于配置数控 回转工作 台，机床可以实现 多轴 控制、多轴联动，以满足不同机床用户的需求。整个 系统特别适合各行业大型复杂零件的多品种、单件小 批量的粗、精加工。机床符合 国际数控机床的复合 化、智能化和绿色环保的发展理念。经实际使用，得 到机床用户的好评和肯定。 参考文献 【 1 】 张相庭． 工程抗风设计计算手册[ M] ． 北京 中国建筑工 业 出版社 ， 1 9 9 8 ． 【 2 】机床设计手册编写组． 机床设计手册 3 部件 、 机构及 总体设计[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 6 ． 【 3 】 机械设计手册编委会． 机械设计手册 下册 液压和气动 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 3 ． 【 4 】 上海柴油机厂工艺设备研究所． 金属切削机床夹具设计 手册[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 4 ． 【 5 】 机械设计手册编委会． 机械设计手册单行本 气压传动 与控制[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 7 ． 上接 第3页 动控制 回路也可以用 同样原理的液压系统来替代 。 气 压调 节装 置 电磁换 向 阀 消声 器 调速 闽 图 8 气动系统原理图 5 结束语 在飞机的柔性化装配中，为了满足飞机大部件与 通用工装快速联接形成球铰的要求，并能够在调姿完 成以后夹紧防止转动，作者设计了一种新型的球铰装 置。在介绍装置的内部构造和工作原理基础上，分析 工作时的受 力情 况 ，得到 夹 紧力与 驱动 力之 间 的关 系，为驱动气缸的选择提供了依据。采用有限元法校 核了关键部件的应力情况 ，保证工作的可靠性。最 后 ，根据工作原理设计了气动控制回路。 参考文献 ～ 【 1 】 丘宏俊， 陶华 ， 高晓兵． 飞机数字化装配若干问题的思考 [ J ] ． 航空制造技术， 2 0 0 6 1 0 5 0 5 4 ． 【 2 】张曙， H E I S E L U ． 并联运动机床[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 3 ． 【 3 】 张 日 华． 六 自由度飞行模拟器的单通道电液伺服系统的 研究[ J ] ． 哈尔滨工业大学学报， 1 9 9 7 3 8 1 8 2 ．