汽車轉(zhuǎn)向節(jié)全自動柔性線的開發(fā)

隨著重型載貨汽車需求的急劇擴張，市場競爭日趨激烈，汽車零部件制造水平和生產(chǎn)能力直接或間接地影響著整車的競爭。柔性化生產(chǎn)和精益化制造成為汽車零部件制造業(yè)追求的理念，高質(zhì)量、高效率、低成本運行的生產(chǎn)制造系統(tǒng)成為汽車零部件企業(yè)的迫切期望。我公司基于柔性制造技術(shù)理念，廣泛應(yīng)用集成加工和復(fù)合加工技術(shù)，自主開發(fā)了重型載貨汽車轉(zhuǎn)向節(jié)加工流程和制造工藝，結(jié)合當(dāng)今成熟的“CNC”機床、機器人和自動化技術(shù)，開發(fā)并實現(xiàn)了重型載貨汽車轉(zhuǎn)向節(jié)全自動加工線應(yīng)用。

重型載貨汽車轉(zhuǎn)向節(jié)加工現(xiàn)狀

1.轉(zhuǎn)向節(jié)加工流程及設(shè)備
國內(nèi)外對于轉(zhuǎn)向節(jié)的加工工藝多以專用機床、通用機床或以專用機床、通用機床、加工中心等組成加工線，分成十幾道或二十幾道加工工序。比較典型的加工流程如圖1所示。



圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)典型的加工流程示意

使用專機加工出用于加工軸頸所需的中心孔（05序）,支承軸頸主要以粗車（10序）、精車（15序）、磨削（55、60序）等工藝方法加工完成。法蘭、支架部分主要以鉆、擴、鉸、銑、鏜、拉等工藝方法實現(xiàn)。主要設(shè)備以通用機床、專機、數(shù)控車床、加工中心等設(shè)備實現(xiàn)上述流程。考慮各工序加工能力的平衡，比較成熟的一條加工生產(chǎn)線含20～21臺設(shè)備，加工能力約240件/天（三班制）。

2.轉(zhuǎn)向節(jié)典型加工流程分析

典型的轉(zhuǎn)向節(jié)加工工藝流程存在下列特征：

1）工序受到傳統(tǒng)加工方式的束縛，雖然使用了數(shù)控車、加工中心等較先進(jìn)的設(shè)備，但基準(zhǔn)多次轉(zhuǎn)換，
數(shù)控設(shè)備難以發(fā)揮最大效率，加工產(chǎn)品的精度不夠穩(wěn)定。
2）因結(jié)構(gòu)特征和工序內(nèi)容約束，加工工序多，產(chǎn)品轉(zhuǎn)型局限性較大。
3）設(shè)備結(jié)構(gòu)和布局限制，生產(chǎn)線較長，在制品占用量大，難以實現(xiàn)一個流生產(chǎn)，生產(chǎn)效率難以實現(xiàn)最大化，精益化管理推行困難。

對國外多家重型載貨汽車轉(zhuǎn)向節(jié)加工線的了解、考察得知，其主要是以數(shù)控專機、加工中心等設(shè)備組成的生產(chǎn)線，雖然設(shè)備精度較高，但各工序單機作業(yè)，柔性差，生產(chǎn)管理也同樣受到制約。目前國內(nèi)外重型載貨汽車轉(zhuǎn)向節(jié)加工基本未實現(xiàn)將工藝系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、信息技術(shù)有效結(jié)合，無法實現(xiàn)快速、敏捷、柔性化生產(chǎn)。

自動線策劃、分析

1.自動線策劃的目標(biāo)
國際先進(jìn)制造技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)對的是市場需求的快速反應(yīng)，實現(xiàn)敏捷化制造。該系統(tǒng)的構(gòu)成應(yīng)該包含了
創(chuàng)新設(shè)計、前沿技術(shù)、制造組織、監(jiān)控、物流、信息等內(nèi)容的系統(tǒng)化工程。基于企業(yè)自身發(fā)展的需要，對重型載貨汽車轉(zhuǎn)向節(jié)加工自動線的策劃至少應(yīng)實現(xiàn)先進(jìn)工藝制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、管理技術(shù)的集成應(yīng)用，保證生產(chǎn)線高效率、高質(zhì)量、低成本運行，滿足重型汽車對轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品變化、制造精度、可靠一致性及生產(chǎn)能力的需要。

2.先進(jìn)工藝制造技術(shù)保證流程再造
在金屬切削加工領(lǐng)域，復(fù)合加工技術(shù)正以其獨特的優(yōu)勢，不斷拓展應(yīng)用空間。如復(fù)合加工機床一次裝夾可實現(xiàn)車、銑、鉆、鏜、攻螺紋等多種工序內(nèi)容的加工；復(fù)合刀具實現(xiàn)多工步加工一次成形。其最突出優(yōu)點是極大縮短工件的制造周期，提高工件加工精度和品質(zhì)一致性。
（1）流程再造的工藝技術(shù)分析 基于復(fù)合加工先進(jìn)技術(shù)理念的認(rèn)識，數(shù)控設(shè)備的集成、精準(zhǔn)、高速、自動化、數(shù)字化等功能的發(fā)揮，對轉(zhuǎn)向節(jié)加工工藝簡約化處理，達(dá)到流程再造目的實現(xiàn)。經(jīng)過論證分析，OP10工序，充分利用可交換工作臺的臥式加工中心將主銷孔（φ 78mm、φ 56mm孔）、支架面、開擋面等粗加工內(nèi)容和中心孔、支銷孔（φ 30mm孔）等精加工用于后續(xù)定位的內(nèi)容在一道工序?qū)崿F(xiàn)；OP20工序，將各級軸頸加工面、盤面螺紋、軸頸端面等內(nèi)容利用高精度數(shù)控車銑復(fù)合機床實現(xiàn)粗精加工一次完成；OP30工序，利用軸頸定位，將主銷孔（φ 78mm、φ 56mm孔）、支銷孔（φ 30mm孔）、支架面、開擋面等內(nèi)容的精加工在一道工序完成，三道工序是可以實現(xiàn)的（工藝流程見圖2）。



圖 2

（2）工藝過程難點預(yù)測控制 OP10的加工只能用毛坯面定位，工件抓取、定位、加工的可靠性和準(zhǔn)確性，直接影響后續(xù)基準(zhǔn)和加工精度，乃至設(shè)備運行安全性。OP20的加工要實現(xiàn)定位準(zhǔn)確和夾緊可靠，系統(tǒng)動靜平衡，確保軸頸粗精加工，以車代磨一次完成，螺紋加工準(zhǔn)確分度功能實現(xiàn)。OP30夾具需要保證定位的準(zhǔn)確性，必須具有工件裝夾準(zhǔn)確檢測功能，保證最終相關(guān)尺寸和位置的正確性，機械手抓取安全、準(zhǔn)確、正確必須控制。包括工件狀態(tài)識別、位置控制、夾持控制，信息交換等技術(shù)的把握。
（3）柔性制造技術(shù)的運用 自動線應(yīng)具備先進(jìn)的柔性制造功能，主要表現(xiàn)在：自動線設(shè)備可根據(jù)所加工產(chǎn)品的需要，通過簡單地更換夾具元器件來實現(xiàn)零件的多品種加工；對加工產(chǎn)品的批量可根據(jù)需要迅速調(diào)整，對加工產(chǎn)品的性能參數(shù)變化，可迅速變更并及時恢復(fù)生產(chǎn)；可迅速而有效地綜合應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新刀具，快速改變生產(chǎn)運營效率和成本；對產(chǎn)品換型需求變化及特殊要求能迅速做出反應(yīng)，適應(yīng)瞬息萬變的市場需求。
（4）高速加工制造技術(shù)的運用 自動線對機床的要求是高速度、高精度、高精度保持性（工程能力指數(shù)C m/C mk）和高耐久性運轉(zhuǎn)，對刀具的要求是利用新材料，以達(dá)到高的切削速度和進(jìn)給速度。
（5）加工能力分析和設(shè)備布局 原有成熟的重型載貨汽車轉(zhuǎn)向節(jié)一條加工生產(chǎn)線（左、右產(chǎn)品混線）含22臺設(shè)備，加工能力約240件/天（三班制），加工節(jié)拍5min/件。按新策劃的加工工藝流程各工序加工內(nèi)容進(jìn)行節(jié)拍評估：OP10需要12min/件，OP20需要8min/件，OP30需要12min/件。綜合考慮、生產(chǎn)組織、物料管理和敏捷制造，策劃將新的加工線按左右線分開，以適應(yīng)突發(fā)事件。左線：OP10臥式加工中心三臺，OP20數(shù)控車銑復(fù)合機床兩臺，OP30臥式加工中心三臺。右線：OP10臥式加工中心三臺，OP20數(shù)控車銑復(fù)合機床兩臺，OP30臥式加工中心三臺。
（6）物料輸送系統(tǒng) 根據(jù)設(shè)備布局結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)線各環(huán)境要求控制分析，結(jié)合機器人運行速度和動作精度，設(shè)置六臺機器人（每條線三臺），分別完成各工序間工件輸送、上/下料、狀態(tài)識別和檢測等工作。輔助設(shè)施由抓取系統(tǒng)、運行系統(tǒng)、物料輸入/輸出系統(tǒng)、中間周轉(zhuǎn)/檢測系統(tǒng)及各類傳感器組成。
（7）控制、信息系統(tǒng) 包括中央控制臺、網(wǎng)絡(luò)及軟件、警示/報警/顯示和安全防護系統(tǒng)。

重型載貨汽車轉(zhuǎn)向節(jié)自動加工線

基于上述的策劃和分析，對重型載貨汽車轉(zhuǎn)向節(jié)自動線設(shè)計開發(fā)，并得以順利實施。這條自動加工線由計算機網(wǎng)絡(luò)全方位控制，通過機器人完成數(shù)控加工中心與車銑復(fù)合加工機床工序交換，實現(xiàn)了全線從毛坯到成品的自動化制造，將原來多道加工工序壓縮為三道，達(dá)到集制造加工技術(shù)、自動化技術(shù)和信息技術(shù)于一體的柔性制造技術(shù)應(yīng)用（見圖3）。



圖3 重型載貨汽車轉(zhuǎn)向節(jié)自動加工線

1.中心控制系統(tǒng)介紹
轉(zhuǎn)向節(jié)自動線由CNC機床、機器人、上下料裝置、周轉(zhuǎn)/檢測臺及操作臺組合，這些部分的動作和邏輯控制由系統(tǒng)主控部分負(fù)責(zé)，系統(tǒng)主控采用日本三菱的Q系列大型PLC進(jìn)行控制，Q系列CPU是模塊化的PLC，這使系統(tǒng)具有很強的可擴展性和可維護性。PLC的控制程序采用了較為容易理解的梯形圖語言進(jìn)行編程，采用了模塊化編程，方便系統(tǒng)的調(diào)試和后期故障診斷與維修。PLC與CNC機床之間通信采用了較為流行的Profibus–DP現(xiàn)場總線，這種通信方式能夠使使通信速率和抗干擾性得到保證，而且采用總線結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)接線得到了簡化，對于后期維護也提供了方便。

操作臺硬件采用了PROFACE公司的真彩觸摸屏，觸摸屏與PLC之間通信采用了以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)的通信方式，這使系統(tǒng)的控制線路硬件結(jié)構(gòu)和接線大大簡化，在觸摸屏上不僅能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行操作，而且能夠顯示系統(tǒng)及CNC機床的報警信息、產(chǎn)量信息、系統(tǒng)I/O狀態(tài)等信息，還能對機床刀具進(jìn)行壽命管理。機器人程序為川崎公司的AS編程語言，此語言類似于計算機C語言，方便理解，機器人動作由示教方式進(jìn)行確定，這種方式便于后期對動作位置進(jìn)行調(diào)整。機器人與機床之間的動作邏輯由PLC進(jìn)行控制，保證了動作的可靠性。

2.自動線運行過程實效簡介
定時將工件毛坯放置到上料自動輸送裝置上后，上料裝置檢測開關(guān)檢測到有工件時開始運行將工件運送到等待位，等待位檢測開關(guān)檢測到有工件時機器人執(zhí)行抓取工件程序，將工件抓到機器人卡爪上（見圖4）。在卡爪上加裝限位開關(guān)，當(dāng)卡爪有工件時，限位開關(guān)動作發(fā)出信號，執(zhí)行裝料程序，當(dāng)卡爪上無工件時，限位開關(guān)無動作或提示報警。



圖 4
當(dāng)加工中心加工完畢時，機器人將執(zhí)行上下料程序。當(dāng)機床夾具松開后，機器人將完成工序加工的工件取出，然后將毛坯工件裝入機床夾具，夾具夾緊動作準(zhǔn)確完成后，機器人移動將已加工工件放入周轉(zhuǎn)/檢測臺（見圖5）。



圖 5

通過同樣的控制方式實現(xiàn)OP20的工件自動裝卸。由于OP20復(fù)合加工機床的結(jié)構(gòu)特點。所以機床尾座上加裝三個接近開關(guān)，加載工件時頂尖向前，頂住工件時，觸發(fā)裝載到位接近開關(guān)，發(fā)出裝載完畢信號，當(dāng)無工件時，頂尖向前觸發(fā)頂尖過位開關(guān)，當(dāng)頂尖退回時，觸發(fā)退回到位接近開關(guān)，發(fā)出退回到位信號（見圖6）。



圖 6

OP20工序增加了工件在線檢測功能。當(dāng)線外檢測臺發(fā)出要求檢測的信號，則機器人將工件放到檢測臺上，檢測完畢后按下檢測完畢按鈕，發(fā)出檢測完畢信號，機器人再將工件從檢測臺上取下。如果沒有要求檢測信號，則機器人直接將工件放入下一工序的周轉(zhuǎn)/檢測臺上（見圖7）。最后一道工序的工件加工完畢后，機器人將工件放置到下料輸送裝置上，當(dāng)下料裝置的檢測開關(guān)檢測到有工件時則裝置運行，將工件向外移送一步，等待操作工將完工件取走（見圖8）。



圖 7



圖 8

在OP30工序同樣增加了工件在線檢測功能。

自動加工線的先進(jìn)技術(shù)及先進(jìn)工藝的應(yīng)用

自動生產(chǎn)線運用了先進(jìn)的自動物料輸入/輸出系統(tǒng)、工件在夾具中自動準(zhǔn)確定位系統(tǒng)、氣密檢測系統(tǒng)、狀態(tài)識別、在線診斷、檢測、刀具壽命管理、破損檢測系統(tǒng)、加工管理系統(tǒng)、柔性、復(fù)合加工技術(shù)和以車削代磨削等多項先進(jìn)技術(shù)，創(chuàng)新了重型載貨汽車轉(zhuǎn)向節(jié)加工工藝。

1.自動線夾具，氣密檢測系統(tǒng)
無人操作的自動線，系統(tǒng)需有準(zhǔn)確的識別工件在夾具準(zhǔn)確定位及夾緊狀態(tài)判別功能。氣密檢測系統(tǒng)應(yīng)用保證了工件在每個工位夾具的定位正確。在每臺機床的夾具各定位面上配有氣道結(jié)構(gòu)，工件正確定位后即可把氣道封閉，否則會漏氣。自動線系統(tǒng)配置氣密檢測裝置，其特點是：可檢測系統(tǒng)壓力，可自動保壓，可調(diào)節(jié)驅(qū)動壓力，從而達(dá)到調(diào)節(jié)出口壓力的目的。當(dāng)工件正確定位后系統(tǒng)的壓力保持不變，自動線將按正確的程序運行。當(dāng)夾具的定位面上氣道漏氣時，系統(tǒng)壓力下降，則系統(tǒng)報警，程序停止運行，確保工件正確安裝。

2.刀具壽命管理、破損檢測系統(tǒng)
自動線配有刀具壽命管理和破損檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)中備有正確的各類關(guān)鍵刀具徑向及軸向尺寸的記憶。刀具在加工完成后需移動至檢測開關(guān)位置進(jìn)行檢測，如與正確記憶發(fā)生偏差，系統(tǒng)將報警。
對正常使用的刀具，根據(jù)刀具的切削性能和使用壽命，對各種刀具的使用狀況進(jìn)行統(tǒng)計。確定刀具使用壽命，按編制刀具使用/更換說明書執(zhí)行。

3.數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)
自動線配有先進(jìn)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

（1）生產(chǎn)運行的管理 每臺機床輸入輸出運行狀況，生產(chǎn)量的記憶（包括每個時段、每小時、每個班、每天、每月產(chǎn)量運行狀況）在顯示屏一目了然。
（2）設(shè)備運行的管理 自動線六臺臥式加工中心、兩臺車銑復(fù)合加工機床和三臺機器人在總控制臺顯示屏中均有標(biāo)識，通過不同顏色顯示設(shè)備運行狀態(tài)。設(shè)備如出現(xiàn)故障，系統(tǒng)也將準(zhǔn)確顯示故障的原因。
（3）工件上下料及安裝運行狀態(tài)的管理系統(tǒng) 工件在運行或安裝中發(fā)生異常，系統(tǒng)也將報警顯示。

4.在線診斷、檢測
自動線在每個工位旁均設(shè)有線外檢測平臺，機器人將按照設(shè)定的程序、按照工藝要求的檢驗頻次，按程序?qū)⒐ぜ胖脵z測平臺，操作工檢測后發(fā)出信號，合格件通過機器人送至下工序運行。

5.以車削代替磨削新工藝
汽車制造業(yè)的大多數(shù)零件是在熱處理后進(jìn)行最終精度或形狀的加工，車削正作為替代磨削的一種經(jīng)濟性方法在普及。目前，國外越來越多的企業(yè)已認(rèn)識到車削的優(yōu)點。在發(fā)達(dá)國家的汽車工業(yè)中，多種軸類、套類零件大多采用車工藝，收到良好效果。

以車代磨存在以下優(yōu)點：加工效率高；設(shè)備投資少，維護費用低，適合柔性生產(chǎn)要求；可使零件獲得良好的表面加工質(zhì)量；車削是潔凈加工工藝。在轉(zhuǎn)向節(jié)自動線實施過程中的技術(shù)關(guān)鍵之一在于，工裝配重的調(diào)節(jié)以及因機床工裝等的問題造成大小頭及橢圓。由于轉(zhuǎn)向節(jié)是不對稱的回轉(zhuǎn)體，且精車時切削速度高。要求車夾按每批零件的差異，調(diào)整動平衡量。

轉(zhuǎn)向節(jié)全新的加工工藝特點

1）保證工藝的合理性。轉(zhuǎn)向節(jié)加工線使原來的二十幾道工序的加工工藝變?yōu)槿拦ば?。工序集中使相互位置精度質(zhì)量有極大的提高，工藝流程實現(xiàn)了國內(nèi)首創(chuàng)。
2）從毛坯到成品的上下料全部由機器人控制、操作。各工序運轉(zhuǎn)安全、可靠，實現(xiàn)了柔性制造技術(shù)在國內(nèi)中、大型零件的應(yīng)用。
3）自動線工件的上料、定位需正確、可靠，夾具配有氣密檢測機構(gòu)，通過氣密檢測工件定位的正確與否。
4）通過配置高精度平衡夾具，實現(xiàn)了先進(jìn)冷擠壓刀具的應(yīng)用?？偨Y(jié)出合理的加工參數(shù)，保證工件的表面粗糙度，達(dá)到了材料表面變性處理的效果，提高了工件的材料強度性能。
5）自動線運行過程中，通過工件加工質(zhì)量的在線檢測，保證在線工件的加工質(zhì)量。在線檢測刀具的磨損狀況，及時校正刀具補償環(huán)節(jié)，保證工件加工質(zhì)量水平的準(zhǔn)確性和一致性。
6）配有自動線配有嚴(yán)密管理系統(tǒng)，包括生產(chǎn)運行的管理、設(shè)備運行的管理、工件上下料及安裝運行狀態(tài)的管理系統(tǒng)等。

結(jié)語

由我公司自主開發(fā)的轉(zhuǎn)向節(jié)柔性自動線，具有高精度、高效和自動化等特點，使生產(chǎn)線僅需操作工36人，與原來兩條轉(zhuǎn)向節(jié)線所需168名操作工相比減少了132人，僅此一項每年可節(jié)約人工成本264萬元。自動線的加工效率比以專機組成的加工線提高了30%，年利潤增加近1000萬元。同時消除了人為因素在生產(chǎn)制造過程中的影響，極大地提高工程保證能力，體現(xiàn)了產(chǎn)品制造的高品質(zhì)和高一致性。

該生產(chǎn)線方案新穎、簡捷、超前，加工流程自動化程度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，已經(jīng)獲得國內(nèi)外許多用戶及同行的贊譽，也得到了機床裝備業(yè)的高度認(rèn)可，極大提高了公司的在國內(nèi)外重型載貨汽車零部件領(lǐng)域的地位及知名度，推動了中國汽車工藝裝備邁向世界，提升了制造工藝流程創(chuàng)新發(fā)展。