数控机床自动上下料装备技术发展现状及分析

　　摘要：生产装备的自动化、智能化是现代化工厂的发展趋势，数控机床自动上下料装备也得到了越来越多的应用。文章通过对现有的自动上下料装备技术进行总结，对不同机构的优劣势和应用场景进行了分析，并探讨了自动上下料装备技术未来的发展方向。

　　在现代工厂生产线中，自动化、信息化、柔性化、智能化生产是应用发展的方向。数控机床自动上下料装备是指对机床可实现自动上下工件的装备，具备自动抓取、自动装夹功能，并能将完工件自动送回料仓等。在生产线布置中通过将自动上下料装备与数控机床组合，可实现物料加工的机械化、自动化和无人化，可以节省人力，降低劳动强度，降低成本，提高生产效率。同时通过自动上下料装备多样化适应性设计，可实现生产线柔性布置，满足了数控机械行业自动化生产的要求。

　　1　自动上下料装备发展现状

　　在现代化自动生产线服务于机床的周边设备中，上下料装置是必不可少的辅助装置，它是对待加工工件进行输送转运，并装夹到机床上的加工位置，同时实现将已加工工件从加工位置取下、转运到料仓的自动或半自动机械装置，也被称为工件的自动装卸装置。数控机床自动上下料装备主要由自动上下料机构和自动输送机构组成，通过PLC 控制器的运算及传感器信号的感应，对各伺服机构进行逻辑控制，从而实现物料输送自动化、机床上下料自动化、物料装夹与数控机床匹配自动化，它与数控机床组成了自动化上下料机加工系统。

　　1.1　自动上下料机构应用

　　机械工厂中目前较常用的自动上下料机构主要有桁架机械手和关节机器人2 种。

　　关节机器人，也叫关节机械手臂，其优点是灵活性强，定位准确，不受机床结构的限制，关节能够实现任何轨迹或角度的工作，是现代工厂中使用较为普遍的工业机器人的形态之一，广泛应用于自动搬运、喷漆、装配、焊接等工业领域的机械自动化作业场合。机器人一般采取一对二或一对三（品字形）布局 ，可以满足多台设备的上下料。一般机器人布置在机床的正面位置，恰好处于机床的开关门位置，对于机床的调试、维护和日常换刀等操作造成一定的不便。为了保证安全作业，常对整个加工单元加装防护网，所以该机构类型占用场地空间较大。在实际生产过程中关节机器人生产单元一般全部封闭，工人无需参与，整个加工过程需对单元中的料仓、加工设备、机器人进行一系列的监控管理，系统庞大复杂，集成度高、成本也高。

　　桁架机械手是一种以直角三坐标X、Y、Z 为基础，对工件进行工位位置调整，并可实现工件轨迹运动功能的自动化设备。桁架机械手的立柱和料仓常安置在机床的左右两侧，机械手臂在机床主轴正上方，以直上、直下的方式给机床进行自动上下料，占用空间小。在桁架机械手生产线工作过程中，工人能够实时监测工件加工过程，迅速排除问题，便于机床的换刀、调试、维护等操作，人机协作较好。此外，桁架机械手生产成本较低。但桁架机械手通用性较差，同规格系列的桁架机械手一般适用于同种尺寸和结构的机床，需根据不同的机床系列进行针对性设计。

　　在机械加工行业，生产车间中大量采用自动上下料装备配合数控机床代替传统的人工或专机进行上下料，可以大幅降低操作工人的劳动强度，提高生产效率。这种生产线组合具有高精度、高服从、柔性自动化等特点，越来越受到广大企业的青睐，是工业现代化发展的必然趋势，是工厂自动化的基础。

　　1.2　自动输送机构应用

　　输送机构是机床物料输送的一个重要组成部分。自动送料是指将待加工的毛坯通过送料机构自动输送到固定的位置，并保持固定的姿态，等待机械手取料，加工后的工件被机械手取回，放到已加工工件输送装置。同时要求在输送过程中，送料机构不得使物料产生损伤，不得发生碰撞。输送机构的类型很多，应用范围也很广。按照输送机中有无牵引件进行分类，可分为有牵引件的输送机和无牵引件的输送机。

　　（1）有牵引件的输送机主要由牵引件、承载构件、驱动装置等部分构成。其中，牵引件用来传递牵引力，可采用输送带、钢丝绳或牵引链等；承载构件用来承载转运工件，可以是托架、料斗或吊具等；驱动装置提供输送动力，主要是由电动机、减速器和制动器等组成。对于有牵引件的输送机，它将被运送物料放在承载构件内，或直接放在牵引件上，牵引件由各滚筒或链轮带动，形成首尾相连的闭合环路，经牵引件的连续运动实现物料输送。

　　（2）无牵引件的输送机，主要利用工作构件的旋转运动或往复运动进行物料的输送，在有管道的机构中，依靠介质在管道中的流动实现向前输送物料。无牵引件的输送机的结构组成，依照实现输送物料的工作构件不同而相同。

　　以上两类输送装置在机床自动送料机构中都有应用，自动输送机构能按预定的程序和要求进行自动动作，在运动过程中人不需要直接操作。

　　2　自动上下料装备技术分析

　　2.1　不同形状物料的输送技术

　　对于棒料类物料的加工输送，目前可根据输送棒料直径尺寸不同及棒料的尺寸自动调节输送装置的料口尺寸，实现棒料类物料的自动传送。同时在物料输送过程中可保持物料的平稳传送，并能对物料进行有效防护，防止物料与传送装置的摩擦损伤。对于杆状棒料的加工输送，一般是将杆状棒料放置在底部有支撑座的滚轮上方，两侧装有限位板等限位装置，通过气缸驱动限位板向杆状棒料靠近，对杆状棒料进行限位，使杆状棒料在输送过程中沿输送路线运动。杆状棒料在滚轮上向前输送是通过电机驱动螺纹杆转动来进行推动，同时在推动过程中通过滚轮进行辅助，实现杆状棒料的自动输送。除此之外，为增强杆状棒料在移动过程中的夹紧效果，在输送过程可通过滚球、弧状槽、夹块等组合进行设计辅助，提高加工定位精度。输送支撑座的高度可根据数控机床的高度进行调节，使得支撑座的高度适应数控机床的高度。 对于方形物料的加工输送，自动上料装备可根据预定程序工作，自动送料并夹紧毛坯件，该装置只需按照加工节拍向取料仓中添加毛坯件，并及时从回料仓中取出加工好的工件即可。目前自动上下料的数控机床能够实现方形物料自动进料和出料，而且一人可以同时管理多台数控机床，生产效率高，人工成本低。

　　2.2　物料的输送速度控制技术

　　对自动上下料装备送料速度方面，目前通过机构设计可实现送料速度的调整，如通过在储料箱内部的缓冲板底端设置两个伸缩杆，两个伸缩杆通过调节高度差，使缓冲板产生倾斜角度，最后达到控制送料速度的目标，降低了操作工人的操作难度。同时，通过设置固定块与缓冲弹簧，使得送料架在工作时，固定块每次均匀装取圆棒料，圆棒料在跟固定块接触时缓冲弹簧起到缓冲圆棒料的作用，可保证圆棒料的生产质量和生产效率。

　　2.3　机械手自动上下料技术

　　机床通过配置机械手来实现自动上下料应用已较为广泛，自动上下料机构一般都包括底座、机架或运行桁架和机械手爪等。其关键技术在于，机械手如何在动力系统的驱动下将料仓中的待加工件按预设轨迹移放至机床待加工位置，并保证位置精度，同时系统还能自动识别工件加工状态，自动将加工后产品按预定轨迹移放回料仓中。自动上下料装置要与数控机床能实现动作匹配，数控机床在工件到达预定加工位置后，能对待加工平台上的待加工件进行加工以获得最终产品。在整个加工过程中，对工件的转运、加工均由数控机床与自动上下料装置自动配合完成，无需人工进行操作。

　　2.4　分析结论

　　通过对数控机床自动上下料装备专利技术检索情况来看，该类装备技术相关研究较多，自动上下料装备有机构类上料装置和上料机械人两种形式，前期研究主要集中在通过机械机构实现机床的自动上下料，性价比高，而采用关节机械人来实现机床的自动上下料，通用性高，目前技术发展也较快。

　　3　结语

　　随着现代化工厂的增加，特别是越来越多的“黑灯工厂” 的涌现，对装备的智能化、无人化要求越来越高。数控机床自动上下料装备形式多样，所用技术也不尽相同。自动上下料装备作为加工装备全线自动化的一个重要辅助环节，其技术也随着自动化、智能化、网联化等领域技术的发展不断更新，自动上下料装备也会随着技术的进步，在智能、网联、节能、高效等方向不断探索创新。

　　基金项目：2020年度青岛理工大学琴岛学院科技技术课题（QY20KA01）。

　　作者简介：张红丽（1980-），女，山东青岛人，青岛城市学院副教授，研究方向：机械工程及其自动化。

　　参考文献

　　[1]邓顺涛.CKA6136型数控车床自动上下料机构改造.纺织器材.2019，46（5）：17-19.

　　[2]吴坚，度国旭，唐运周. 基于视觉的数控机床上下料机械手系统设计.现代信息科技.2019，3（19）：181-182.

　　[3]李东亚.基于发那科数控系统的四自由度自动上下料系统设计.机床与液压.2018，46（11）：75-78.

　　（责任编辑：张志明）

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