□ 陈银清 □ 陈 宇 □ 郑泽钿 □ 李 凯

1.广东石油化工学院 广东茂名 525000

2.广东省茂名市高级技工学校 广东茂名 525000

1 设计背景

刀剪行业历史悠久，我国有很多知名的刀剪传统品牌。20世纪90年代初，刀剪行业由手工生产发展为半机械化生产，产品单调，且主要为小规模制作。20世纪90年代末期，刀剪产品出现了多样化，民营企业开始增多。2001年，国家放开了民营企业进出口经营权，刀剪行业迎来新的发展契机，由内销转向出口市场。2006年，全球金融危机给刀剪行业出口造成较大冲击。2015年以来，随着“一带一路”的推进，刀剪行业迎来了更广阔的市场，呈现出大规模生产的新局面［1-2］。

在刀剪行业大规模发展的背后，我国刀剪生产仍然存在不少问题，包括自动化程度低、劳动强度大、生产环境差、出口量低等。此外，刀剪质量与欧美、日本等地产品相比差距明显。

广东阳江五金刀剪年产量约占全国的70%，出口量约占全国的85%，是名副其实的刀剪之乡，但是目前的生产加工主要以手工上下料及单工序单台设备为主，不能适应时代的发展。

笔者以生产10寸不锈钢刀为例，设计了刀剪磨削微自动生产线及相配套工装与上下料装置［3-5］，可以有效提高刀剪的磨削效率。

2 刀剪磨削工艺分析

笔者以大批量磨削10寸不锈钢刀为例，分析传统刀剪磨削工艺。

10寸不锈钢刀外形如图1所示。

▲图1 10寸不锈钢刀外形图

10寸不锈钢刀传统加工工艺流程见表1。

表1 10寸不锈钢刀加工工艺流程

刀剪传统加工工艺的缺点是自动化程度低、加工效率低，因此不适应当今时代的发展。笔者针对不锈钢刀外形的工艺特点，设计刀剪磨削微自动生产线总体布局。

针对粗、精磨刃口斜面及基准面工序，传统双工位数控双头刀剪专用磨床磨削基准面的方法是一次装夹先后完成粗、精磨削，但上下料及安装均依靠手工操作完成，加工效率相对低［6］。笔者设计的磨削基准面工艺流程如图2所示。

▲图2 磨削基准面工艺流程

3 微自动生产线设计

3.1 总体布局

刀剪磨削微自动生产线总体布局如图3所示，由旋转输送轨道及动力装置、自动上下料装置、刀剪专用数控磨床、清洗机、控制柜和控制面板等组成。在微自动生产线中，采用旋转输送轨道，空间布局紧凑合理；采用多组随动夹具，保证生产线间歇移动时能紧密连接。生产线各机床空间布局按加工要求合理排列，单元调配利用率高。各个机床既可单独工作，又可通过控制系统进行协同运作，实现智能化、自动化、高效率、高精度、低功耗的现代化批量生产［7］。

根据各机床的加工时间，合理设置运行速度。旋转输送轨道在启动后保持平稳循环运动，且在刀剪专用数控磨床和自动上下料装置前设有卡位，使装有工件的夹具进入，进行上下料。

两台刀剪专用数控磨床和自动上下料装置设有实时监测传感器，可查看当前各机床的工作状况，并反馈至控制系统。

3.2 主要创新点

笔者所设计的刀剪磨削微自动生产线主要创新点如下：

（1）旋转轨道输送，闭环自动生产，工序连贯性好；

（2）自动上下料装置由机械手上下料，自动化程度高，劳动强度低；

（3）采用电磁吸板底座，装夹方便、快捷；

（4）工序分散，粗磨、精磨独立完成，装夹简单，精度易保证；

（5）全程传感器实时监测，加工精度高；

（6）占地空间小，生产线的总面积约48 m2。

3.3 关键技术

设计中的关键技术包括：① 专用工装夹具；② 带机械手的自动上、下料装置；③ 紧固装置；④ 检测传感器及自动控制系统。

4 工装与上下料装置

工装与上下料装置既是独立部件，又是和旋转输送轨道连接最紧密的关键部位，是整个生产线的始端，也是生产线的末端。

4.1 总体结构

工装与上下料装置的总体结构如图4所示，主要由以下部件组成：起支承作用的基础部件机床主体、将夹具固定在工作台上的电磁吸板底座［8］、将夹具夹紧零件盖板紧固或打开以便机械手紧固工件或取下工件的紧固装置、支撑夹具及机械手的工作台、将工件放置在夹具安装面上或将夹具上的工件取下的两个机械手。

4.2 工作流程

工装与上下料装置工作流程如下：

（1）加工完成的工件随夹具进入自动上下料装置内，到达工作台上的电磁吸板底座卡位，停止移动；

（2）工作台升起，电磁吸板底座上表面贴近夹具底面，通过其上表面的凸起柱体与夹具底面的开孔配合定位；

（3）电磁吸板底座上表面贴紧夹具下表面，电磁吸板通电，将夹具稳固在工作台上；

（4）上一步完成后，紧固装置的滑动板前端已与夹具的盖板贴紧，滑动板前端的电动扳手将夹具盖板上两枚紧固螺栓旋松，滑动板往回移动，打开夹具盖板，上料机械手在上料处夹取一件工件；

（5）下料机械手将夹具上的工件取下，上料机械手将夹取的工件放置在夹具安装面上；

（6）下料机械手将取下的工件放置在下料处，紧固装置将夹具盖板推回夹具上方，拧紧紧固螺栓，将工件夹紧；

（7）电磁吸板断电，工作台下降到固定位置，夹具脱离电磁吸板底座并回到旋转输送轨道，沿旋转输送轨道继续移动；

（8）工件加工完成后，沿轨道输送到上下料装置，重复第（1）至第（7）步。

▲图3 刀剪磨削微自动生产线总体布局

5 专用工装夹具

5.1 功能

专用工装夹具在加工时用于快速紧固工件，使刀具、工件保持正确的相对位置，目的是对工件进行定位和夹紧［9-10］。

刀剪磨削微自动生产线专用工装夹具的功能如下：

（1）装、拆便捷，定位准确；

（2）简单、轻便，适合机械手取放工件；

（3）能自动进入和脱离旋转输送轨道；

▲图4 工装与上下料装置总体结构

（4）制造简单，稳定性好，避免积屑和便于清理废屑等。

5.2 总体结构

专用工装夹具主要由夹具主体、盖板、紧固螺栓、限制螺栓、定位销套件、万向轮［11］等组成，结构如图5所示。

▲图5 专用工装夹具结构

夹具体上表面为带间隔槽的斜面。该斜面的倾斜角度与刀体相对应，刀体安放后加工表面为水平面。设置间隔槽，方便机械手取放工件。盖板、紧固螺栓为夹装元件，定位销套件为定位元件，万向轮的作用是带动整个专用工装夹具移动。

5.3 定位方式

专用工装夹具采用两面一销定位方式，底面、侧面及销孔定位，如图6所示。

6 上下料装置

上下料装置将待加工工件送装到机床上，并将已加工工件从机床上取下，是实现自动化生产的一个重要组成部分，更是自动化生产线的关键环节。

上下料装置由通用微型机械手加装专用手爪组成，包括上料机械手和下料机械手。前者负责将上料处的刀具抓取并放置在夹具安装面上，后者负责将已加工完成的工件取下并放置在下料处。

▲图6 专用工装夹具定位

7 紧固装置

7.1 结构

紧固装置由滑动板、滑动腔、传动齿轮、电动机等组成，功能是将夹具的盖板紧固或打开，配合上下料机械手实现自动上下料，其结构如图7所示。

▲图7 紧固装置结构

7.2 工作流程

紧固装置工作流程如下。

（1）打开夹具盖板。当工作台［12］上升，夹具的盖板贴紧滑动板前端配合面时，紧固装置的电动扳手将紧固螺栓拧松至不干扰夹具盖板移动的位置，电动机正向通电，带动传动齿轮使滑动板向滑动腔内移动，打开夹具盖板，此时机械手取下已加工工件。

（2）紧固夹具盖板。当待加工工件放置在夹具安装面上时，电动机反向通电，带动传动齿轮与滑动板上的齿条啮合。此时滑动板向滑动腔外移动，即滑动板推动夹具盖板对齐螺栓开孔。电动扳手顺时针旋转，将两枚紧固螺栓拧紧，工件紧固在夹具上。

8 结束语

笔者设计了刀剪磨削微自动生产线，能有效解决多品种、小批量刀剪加工时效率低、劳动强度高、质量不稳定等问题。

这一生产线可适用于不同结构的刀剪产品，在生产线运转初期，小批量生产刀剪的成本可能会偏高，但是随着生产线柔性技术与经验的不断发展、完善，以及多品种收益的提高，会降低多品种、小批量生产的成本。

这一生产线可以合理放置多个夹具在旋转输送轨道上，各机床同时工作，夹具井然有序地在旋转输送轨道上间歇移动，每台机床都在进行加工，生产线不断进行循环，实现高效自动化加工。为进一步提高生产效率，还可以设计一次可装夹多件刀具的专用工装夹具。