无心磨床自动上下料机构设计与控制-玉环双山机械有限公司

为了降低旋转机械的摩擦系数，保证旋转机械的旋转精度，经常使用滚动轴承来支撑机器的旋转体。滚动轴承作为滚动轴承的一种，广泛应用于各种机械设备中。滚子作为滚动轴承的关键部件，其加工精度和效率严重影响轴承的性能和生产效率。目前，为了提高轴承滚子的表面加工精度，常采用无心磨床对轴承滚子外表面进行磨削。目前，无心磨床滚子的加工技术采用切割磨削。通过一套由推杆装置和V槽组成的夹具，滚子在推杆的作用下滑到V槽中的导板上，在V槽中滑动切割材料到指定位置后，在拉杆的作用下手动运输和加工滚子。实际应用表明，V形槽中的不同步装卸过程和滚子的滑动严重影响了轧辊的加工效率和表面加工质量，在装卸过程中采用指定位置的人工操作等待装卸，提高了工人的劳动强度和伤害率。为了提高轧辊的加工效率和质量，降低工人的劳动强度，设计了一套自动上料装置。采用双机械手操作方式，同步进行无心磨床滚子加工的上、下料过程。同时，滚子切削过程中采用V槽滑动摩擦，可以避免V槽滑动摩擦对精轧辊表面质量的影响，提高无心磨床滚子的加工效率和表面加工质量。减少工人的劳动强度。为无心磨床切割精密磨削工艺下料装置的设计提供了新的思路。

1 无心磨床上下料机构设计

1.1 整体机构设计

通过对无心磨床切入式磨削方式研究，及工作现场实际工况调查，针对轴承滚子的加工特点设计了一套自动上下料系统，系统结构简图如图1所示。

在转换过程中，对砂轮与导向轮之间的空间位置进行了充分的测量和分析。在考虑设备成本和通用性的基础上，在无心磨床砂轮上开定位孔，安装进给装置。为了便于进给装置元件尺寸的设计和计算，并调整进给装置的位置，导板和机床进给装置的预进给位置为X，轴向可以在直线上，进给装置和导板可以安装在机床的T槽工作平台上。根据滚子结构的形状特点，在抓取结构设计中采用空气爪夹紧结构。为了提高装卸效率，放弃了传统机床上料装置单机械手的工作设计思想，采用了双气爪抓取方案。预喂料位置到加工位置的距离和从加工位置到切削位置的距离设计为等距离。双空气爪机械手的单抓取动作可以完成进料和卸料的同步，大大缩短了装卸时间，提高了生产效率。无心磨床的每一端安装一套滚子传输线，通过滚子与输送带之间摩擦产生的推力将滚子送进送料机构，切割端传输线负责将加工辊输送到下一工序，整套设备实现了轧辊加工过程中的送料和冲裁自动化，节省了人工成本，大大提高了生产效率。

1.2 送料机构结构设计

不同系列滚子轴承内部安装的滚子规格也不相同，故一台无心磨床需要根据企业生产需求调整工艺加工不同规格的滚子。而无心磨床加工不同规格滚子，自身只需要对砂轮进行修行即可。所以送料机构设计必须能满足企业全系列滚子部件的送料需求，从而保证该套设备的通用性。企业提供数据送料机构需要满足80～180mm滚子长度送料需求。根据滚子不同规格直径与长度不同的特点，将送料槽设计为V型结构，且设计了一种可自动变换送料槽长度的送料机构，具体结构简图如图2所示。

送料机构工作原理：设备初始化后，根据加工滚子的型号在触摸屏上选定相应的加工程序，接收滚子规格指令后，反馈信号给伺服电机26控制伺服电机先回原点然后转动相应的圈数带动调节梁32与接近传感器15移动使得送料槽16长度与所要加工滚子长度相等，伺服电机26通过联轴器25与锥齿轮23相连，两个相同锥齿轮相啮合传动，锥齿轮23与直齿轮36通过轴22连接最终将伺服电机26转动1：1传递到直齿轮36转动，直齿轮36分别与左齿条37、右齿条35啮合，左、右齿条分别安装在左齿条安装槽34与右齿条安装槽33内，调节梁32与左齿条安装槽34相连接，在直齿轮36的带动下调节梁34运动从而调整送料槽16的长度满足不同规格滚子送料需求，光电对射传感器38用于定位原点，接近传感器15接收到滚子到位信号后，侧推汽缸29带动送料槽安装板17侧推运动，从而实现将滚子输送到预定抓取位置，机械抓手将滚子取走后送料机构回归初始状态等待下一次送料。

送料槽调整计算公式如下：

其中，m—模数；Z—直齿数；d—直齿轮分度圆直径；L—送料槽长度；l—滚子长度；x—直齿轮旋转一周运动距离；n—步进电机所需旋转圈数。

1.3 系统工作流程

机构整体工作流程如下：根据滚子规格在触摸屏上选定相应加工程序，送料机构调整到位后设备开始运行，上料输送机14开始工作将滚子推送至预送料槽27，通过滚子的挤压将排列在首位的滚子推送至送料槽16，滚子到位后汽缸29侧推将滚子输送至机械手预抓取位，竖直汽缸6下降到位后气爪同时抓取送料槽16中的滚子与导板12上加工完毕的滚子，滚子抓取完毕后竖直汽缸上升，竖直汽缸6上升到位后水平汽缸2水平往左运动，接近开关传感器3检测到水平汽缸2到位后竖直汽缸6往下运动，竖直汽缸往下到位后气爪松开同时将待加工的滚子输送至导板12、将已经加工完毕的滚子输送至下料输送机1上，完毕后竖直汽缸6上升，竖直汽缸6上升到位后水平汽缸2往左运动至初始位置等待下一次抓取。

2 控制系统设计

2.1 系统设计及硬件选型

根据现场控制特点本项目采用PLC控制，控制图见图3为了保证系统运行的稳定性，系统采用模块化设计思想，将整个滚子上下料控制系统分为4个模块：触摸屏显示及传感器模块、上下料搬运模块、高精度送料机构模块、流水线配料模块。各模块之间通过配置触摸屏及传感器信号输入给PLC控制执行相应动作。

其中触摸屏作为人机交互显示设备通过串口与PLC通信，其作用是显示操作界面及当前工作状态、接受操作人员的指令，操作人员可以通过触摸屏按钮实现系统手动、自动模式的切换，在手动模式下可以通过预先分配PLC的I/O端口实现程序单补运行完成系统动作调试与信号检测，在自动模式下可以选择相应的加工型号后让系统自动控制。

上下料搬运模块通过送料机构模块给出的开关量信号侧推送料到位,控制搬运模块启动运行，启动运行过程中X方向的运动通过接近开关信号控制，Y方向运动通过磁性开关信号控制。高精度送料结构模块与流水线配料模块通过配置的物料到达机构信号控制侧推汽缸运动及流水线的启停。具体I/O需求分配如表1所示。

根据系统I/O输入输出需求，PLC型号选取三菱FX2N-32M；FX2N-32M具有16点输入16点输出完全满足项目需求，根据最大规格滚子8kg重量计算选取汽缸型号如下：汽缸与磁性开关全部选取SMC系列，其中侧推汽缸选取SMC-CJ2系列标准型汽缸，水平汽缸选取SMC-CD系列标准型汽缸，竖直方向选取SMC-CQ2系列，气爪选取SMC-MHL2系列宽型气爪，台达ECMA-C10602ES伺服电机与ASD-A2-0221伺服驱动。

2.2 高精度送料机构运动控制及误差补偿

为了满足企业对上下料系统通用性需求，送料机构采用长度可调整设计。调整送料槽长度机构采用伺服电机作为驱动，斜齿轮与齿轮齿条传动。由于齿轮齿条存在的制造误差△1、装配误差△2，斜齿轮啮合背隙△3与齿轮齿条啮合传动存在背隙△4，系统运行一定实时间后产生的累计误差δ=△1+△2+△3+△4超出一定范围，由于送料槽为V型槽，侧推汽缸在完成侧推动作将滚子送至预送料位置过程中在送料槽或者预送料槽会出现卡料情况如图4所示。

考虑到传动误差，如图4初始情况所示在结构设计中在送料槽与预送料槽之间设计留有间隙用于补偿传动误差，但是在实际运行过程中物料多次调整后随着误差累计还是会出现卡料情况。为了避免卡料情况出现，在送料机构控制模块轨迹规划为：将如图2 B-B向视图所示两光电传感器对射定义为初始状态，在触摸屏点击切换滚子型号后，程序先执行中调用PLC原点收索/复位指令ZRN，指令调用格式见图5。

系统检测到原点光电传感器的开关信号时，高速伺服电机会发生减速过程，从而影响系统起始位置的控制精度。为了消除减速运动过程对系统运动控制造成的误差，在规划伺服电机运动轨迹时，采用减速反转法消除误差。整个伺服电机的执行过程：脉冲输出高速返回原点，当检测到原点开关时，减速操作，当速度是爬行速度时，反向，以爬行速度返回，再次检测“源信号降边”，即停止脉冲输出，电流绝对坐标为零，见图6。

实际应用表明：系统归零后运行送料槽切换程序完成送料槽长度变更，整体个切换过程消除系统累计误差，再加上送料槽与预送料槽之间设计留有补偿误差的间隙，系统在运行过程中不存在卡料情况。

3 结束语

据现场无心磨床的工作条件要求，设计了一套无心磨床自动上料和卸料系统。在深入研究轴承滚子切削磨削方式的基础上，以滚筒为驱动源，设计了机械抓地力水平、垂直运动和自动调整送料槽长度的进给机构，实现了滚子的自动上料和下料。通过现场调试和实际运行，该系统的进料过程比手动上料少10≤20，系统的进料和卸载过程为非接触式切削磨削，在轧辊表面不存在手工冲裁的细磨现象，提高了加工精度，在一定程度上降低了劳动强度，具有较好的实用价值。