童向榮, 陳政弘,趙福成,王瑞平，2

(1.寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336； 2.浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司，浙江 寧波 315336)

淺談現(xiàn)代產(chǎn)品試制的加工方式*

童向榮1, 陳政弘1,趙福成1,王瑞平1，2

(1.寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336； 2.浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司，浙江 寧波 315336)

在當今生產(chǎn)制造領域，要求在同樣的生產(chǎn)條件下盡量多的加工出不同類型的產(chǎn)品。通過對當今車間產(chǎn)品試制加工所應用的托盤管理系統(tǒng)及機器人輸送系統(tǒng)的介紹，使讀者對先進的車間產(chǎn)品加工方式有深刻的了解，給車間產(chǎn)品加工方式提供參考。

小批量產(chǎn)品；組合夾具；托盤管理系統(tǒng)；機器人輸送系統(tǒng)

0 引 言

隨著我國現(xiàn)代化工業(yè)的飛速發(fā)展，我們的民族企業(yè)也不得不參與激烈的國際競爭，作為為民族企業(yè)提供堅強支撐的裝備制造業(yè)的發(fā)展自然也面臨著新的機遇與挑戰(zhàn)。多種類、小批量生產(chǎn)是當今流行的新產(chǎn)品試制加工方式，試制加工環(huán)境下的車間已不能指望僅僅通過運行數(shù)臺獨立的加工機床，并為每臺加工機床配備一名操作人員的這種方式來參與競爭。這種方式勞動力成本太高，特別是和發(fā)達國家的現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展水平相比，更是一種發(fā)展方式上的“致命傷”。

1 產(chǎn)品試制機床的形式及試制產(chǎn)品發(fā)展狀況

1.1 當前產(chǎn)品試制機床的形式

數(shù)控機床和普通機床相比，有著良好柔性、高調(diào)整、高效率、加工精度高等優(yōu)勢，在產(chǎn)品試制加工領域，它已經(jīng)逐步替代普通機床；但普通機床也存在著對操作人員要求低、生產(chǎn)準備時間短、簡單加工時間短、價格低廉等特點，其還不能完全被數(shù)控機床替代，因此目前形成了二者并存的現(xiàn)狀。

而隨著市場產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加劇，目前為了適應市場需求，研發(fā)產(chǎn)品的試制已經(jīng)進入了多品種、小批量的加工模式，這就使高精度、高柔性的數(shù)控加工中心機床成為了新產(chǎn)品試制加工的主流，其以高速度來達到高效率。當今的加工中心機床主軸轉(zhuǎn)速已能達到25 000 r/min，定位精度可達到0.01 mm，重復定位精度可達到0.005 mm，機床主軸多采用電主軸，立式加工中心刀庫可容納30把刀，臥室加工中心刀庫可容納90把刀，足以滿足一般零件的試制加工內(nèi)容(如圖1、圖2)。加工中心機床采用直線滾動導軌副(X、Y軸)加淬火硬軌貼塑導軌副(Z軸)設計，不僅適用于板類、盤類、殼體類、精密零件的加工，而且適用于模具加工。零件一次裝夾后可完成銑、鏜、鉆、擴、鉸、攻絲等多工序加工，具有自動化程度高、可靠性強、操作簡單、方便、宜人，整體造型美觀大方、機電一體化程度高等優(yōu)點。

圖1 立式加工中心 圖2 臥式加工中心

隨著現(xiàn)代產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及外形復雜程度的增加，很多產(chǎn)品都出現(xiàn)了帶有空間角度的面或孔系的加工，為了提高數(shù)控加工中心的高柔性及高效率，常常出現(xiàn)立式加工中心配備旋轉(zhuǎn)第四軸、臥室加工中心配備360°回轉(zhuǎn)臺加工空間角度面及孔系的加工方式(見圖3、圖4)。

圖3 立式加工中心配備旋轉(zhuǎn)第四軸 圖4 臥式加工中心配備回轉(zhuǎn)工作臺

除了在高速加工中心上配備旋轉(zhuǎn)第四軸和回轉(zhuǎn)工作臺之外，也可以采用在機床主軸上配備萬向角度頭來加工空間角度的面或孔系。角度頭可直接安裝在加工中心主軸上，通過加工中心主軸提供動力源，將主軸的動力經(jīng)角度頭內(nèi)部蝸輪蝸桿機構(gòu)傳遞給切削刀具，并且角度頭輸出軸與主軸的角度可在0°～90°內(nèi)調(diào)整，同時角度頭主軸端也可以在0～360°內(nèi)調(diào)整，真正意義上實現(xiàn)了空間角度范圍內(nèi)的無覆蓋加工(見圖5)[1]。

圖5 萬向角度頭加工角度孔視圖 圖6 多托盤系統(tǒng)

1.2 當前產(chǎn)品試制的發(fā)展狀況

隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期越來越短，目前的試制產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展為多品種、小批量的加工模式，這就要求不僅加工機床需要有高柔性及快速調(diào)整能力，同樣機床的加工夾具及刀具也需要有高柔性及高通用性，這樣才能滿足試制產(chǎn)品日新月異的變化速度。

目前小批量產(chǎn)品的解決方案為通用夾具和普通機床或數(shù)控機床配套使用，例如組合夾具、電永磁夾具、精密平口鉗；大批量產(chǎn)品的解決方案為專用夾具和通用數(shù)控機床或數(shù)控專用機床配套使用，例如手動夾具、液壓夾具、氣動夾具。

2 托盤管理系統(tǒng)的介紹及應用

2.1 多托盤系統(tǒng)在產(chǎn)品加工中的優(yōu)勢

傳統(tǒng)生產(chǎn)方式下的操作通常意味著只有40%的機械化率，因為大量的時間被浪費在裝卸工件和運轉(zhuǎn)工件、更換夾具上，但是如果通過引入自動化和臥式加工中心，車間的設備利用率能夠提開到50%～80%，甚至95%。

自動化最簡單的形式是自動換刀和自動交換托盤。如果正確應用的話，這兩種功能組合在一起能夠使臥式加工中心的利用率從50%增加到80%，但是要想使機床利用率躍升至90%以及更高，車間必須采取自動化中的下一個步驟，即多托盤系統(tǒng)。

2.2 多托盤系統(tǒng)介紹及在產(chǎn)品加工中的應用

雖然多托盤系統(tǒng)通常用在大批量車間，但是多托盤、通用托盤或托盤庫系統(tǒng)也能使從事多種類、小批量作業(yè)的車間能夠無人值守運轉(zhuǎn)機床并自動操作(見圖6)。例如，1個8托盤系統(tǒng)能夠適應8種或者更多不同的工作加工，或者對同一個零件的多工序進行一次性裝夾加工。實際上，這些系統(tǒng)能夠大大提高機床利用率并無需車間增加其人力資源(見圖7)[2]。

除了多托盤，很多機床制造商建議在車間建設時使用組合夾具和托盤管理系統(tǒng)。組合夾具可以使車間能夠迅速地在大約4 h內(nèi)通過夾具元件拼裝，而為任何工件制作快速穩(wěn)定的加工夾具。而如果制作定制的夾具，則會花費更多的時間和人力。

圖7 多托盤系統(tǒng)在產(chǎn)品加工中的應用

2.3 組合夾具在多托盤系統(tǒng)中的應用

組合夾具是在機床夾具元件通用化、標準化、執(zhí)行化、系列化的基礎上發(fā)展起來的新型夾具。它是由一套預先制造好的各種不同形狀、不同規(guī)格尺寸的標準化組合夾具元件組裝而成。它如同兒童積木一樣靈活多變、裝卸自如。使用者可以根據(jù)不同零件的加工要求，選用部分標準化的組合夾具元件，便可以迅速組裝成各種類型的機床夾具(如：車、銑、鉆、檢驗、焊接等)[2]。根據(jù)組合夾具是由能重復使用的標準化元件組裝而成的特點，元件之間的聯(lián)結(jié)要求應定位準確、聯(lián)結(jié)可靠、裝拆方便；根據(jù)元件之間定位聯(lián)結(jié)形式的不同，組合夾具分為槽系組合夾具和孔系組合夾具兩大類型(見圖8～10)。

(1) 槽系組合夾具：元件之間的定位聯(lián)結(jié)采用高精度的槽、鍵定位，螺栓緊固。

(2) 孔系組合夾具：元件之間的定位聯(lián)結(jié)采用高精度的孔、銷定位，螺栓緊固。

圖8 槽系組合夾具的應用 圖9 槽系缸體組合夾具

圖10 槽系殼體組合夾具

2.4 組合夾具在產(chǎn)品加工中的優(yōu)勢

組合夾具在產(chǎn)品加工中存在著很大的優(yōu)勢，不只是大大縮短加工時間，其優(yōu)勢如下：

(1) 適用于多種工件夾持問題，組合夾具元件有大、中、小、微幾個系列，適用于各種尺寸的零件裝夾。

(2) 加速新產(chǎn)品的試制，縮短生產(chǎn)準備周期。

(3) 節(jié)約夾具設計、制造工時和材料，從而降低了產(chǎn)品的制造成本。

(4) 可以大量替代工裝生產(chǎn)中的二類工裝。

(5) 為復雜的專業(yè)夾具的結(jié)構(gòu)設計提供模擬實驗夾具。

(6) 均衡生產(chǎn)或解決急需夾具及處理生產(chǎn)現(xiàn)場。

(7) 節(jié)約夾具存放的庫存面積。

使用組合夾具后，車間可拍下夾具的數(shù)碼照片，或使用組合夾具系統(tǒng)通常所包含的軟件記錄下它用到的特定夾具，這可以使車間能夠順利地重新裝配夾具，而不必因為重復的訂單而使擱架上堆滿夾具。

組合夾具安裝完成后，單元控制器將一個或多個加工中心連接到托盤交換系統(tǒng)并記住裝載到托盤陣列上的零件。所有零件程序及任意類型的夾具管理軟件通常駐留在單元控制器內(nèi)以提供“單點”操作。某些單元控制器甚至還接受不同零件設置的視頻或照片以供日后參考。

當托盤裝載工件時單元控制器自動將合適的零件程序發(fā)送給它預定的機床。單元控制器能使車間的產(chǎn)量增加而不必增添更多操作人員。

3 機器人輸送系統(tǒng)的介紹及應用

3.1 機器人系統(tǒng)的介紹及應用

雖然機器人主要應用于大批量生產(chǎn)，但是如今的許多機床和制造設備供應商提供一些專門為多種類、小批量操作的自動化而設計的機器人系統(tǒng)。

此機器人系統(tǒng)由一個機器人組成，它將工作的子托盤輸送到臥式加工中心內(nèi)，通常是一臺五軸機床。其內(nèi)有與加工中心的托盤相配的定位器，它可以確保每個被裝載的子托盤適合機床，因此機床知道子托盤的位置(見圖11、圖12)[3]。

由于子托盤適合機床，所以車間還能夠使這些托盤上的工件適合于機床。這消除了多余的步驟，不必測定工件在機床上的位置或者使工件適合于機床。當使用傳統(tǒng)的托盤交換系統(tǒng)時，車間還必須使新夾具適合于機床并確保這些夾具上的零件正確定位。

這種機器人系統(tǒng)不像傳統(tǒng)托盤系統(tǒng)那樣水平地堆疊托盤，而是豎直地存放其子托盤。這使得系統(tǒng)能夠適應小空間，而且無需長長的托盤存放單元。該系統(tǒng)中只有工作設置站是水平的，所以操作人員在裝載零件時不必承受重力。這種機器人系統(tǒng)將機器人應用于高混合、低產(chǎn)量工作。

圖11 機器人上下料系統(tǒng) 圖12 機器人系統(tǒng)

3.2 LM-8D機器人系統(tǒng)應用實例介紹

國外的Automated Concepts公司采取一種不同的方法來實現(xiàn)多種類、小批量工作的自動化。它的系統(tǒng)叫做LM-8D，是一個適合車間現(xiàn)有機床的獨立、現(xiàn)成的自動化包。該系統(tǒng)包括Fanuc M 16i六軸機器人，一個雙向五屜零件送料器和一個Fanuc“B”型控制器。它通過使用諸如此類的標準預制組件，Automated Concepts公司能夠以低于100,000美元的價格供LM-8D，該價格比定制系統(tǒng)低大約25%～40%。許多車間告訴我們他們需要自動化，但是他們住往被費用和系統(tǒng)不夠靈活的想法所阻止，LM-8D解除了這兩個限制[3]。

車間將各種工件裝載到系統(tǒng)的送料器抽屜中，送料器抽屜的高度從5～8英寸可調(diào)，適合直徑從2.5～4.5英寸的工件；機器人然后打開一個獨立的抽屜隔板，移動一個零件毛坯并將其裝載到等候的機床上；一旦加工完零件，機器人將其從機床上卸載，然后裝載另一個工件。

機器人使用一個三指抓爪系統(tǒng)來處理各種不同的零件形狀，該系統(tǒng)還包括另外六個鋁制指坯，它們可用于不同類型的零件。Automated Concepts公司通過機床的接口將它的機器人集成到機床上，所以要實現(xiàn)自動化的機床必須做好連接機器人的準備，這也意味著機床必須能夠?qū)C器人連按到它的控制器(見圖13)[3]。

圖13 LM-8D機器人系統(tǒng)

除了上述優(yōu)點之外，LM-8D還便于移動。因為它的機器人和抽屜單元用螺栓固定在由鋼絲安全柵包圍的同一個底座或工作臺上。當它在一種類型的機床上執(zhí)行完工作后，車間可以方便地將用叉車將整個系統(tǒng)運到不同的機床上。LM-8D應用于任意類型的機械加工操作——銑、車、磨和其它，向兩臺機床送料的LM-8D系統(tǒng)的設計方案現(xiàn)正在制定中，目前的型號被設計成一次只為一臺機床服務。

此外，由于機器人和屜式送料器位于同一個工作臺上，所以機器人始終知道送料器的位置。當系統(tǒng)被移動到不同的位置后，車間不必重新教會機器人送料器在哪兒。一旦系統(tǒng)定位，將系統(tǒng)連接到機床的I/O模塊，機器人便會準確確定送料器的位置。

4 結(jié) 語

隨著當今市場產(chǎn)品更新?lián)Q代的日新月異，為了緊跟市場變化，現(xiàn)代的產(chǎn)品已經(jīng)趨向于多品種、小批量的加工模式，這就需要新產(chǎn)品的試制做出快速高效的反應，就需要高柔性、高精度的加工中心及相配套的旋轉(zhuǎn)四軸、回轉(zhuǎn)B軸及角度頭來輔助加工零件，更需要效率更高、自動化程度更高的機器人系統(tǒng)來完成新產(chǎn)品的試制加工。希望此種先進的車間產(chǎn)品加工方式給新產(chǎn)品試制加工提供參考，緊跟時代步伐。

[1] 先進制造技術(shù). 萬向角度頭應用[EB/OL] http://www.baike.com/; 2010.7.15.

[2] 孫大涌.先進制造技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2000.

[3] 吳振彪.工業(yè)機器人[M].武漢：華中科技大學出版社,2006.

Discussion on Development Trend of Processing Product Method

TONG Xiang-rong1, CHEN Zheng-hong1, ZHAO Fu-cheng1, WANG Rui-ping1,2

(1.NingboGeelyRoyalEngineComponentsCo.,Ltd,NingboZhejiang315336,China；2.ZhejiangGeelyRoyalEngineCo.,Ltd,NingboZhejiang315336,China)

In current manufacturing field, different types of goods are requested under the condition of same production as much as possible. By introducing pallet control system and robot conveyor system applied in the workshop, the better understanding of the advanced product-processing method in the workshop is got, which provides reference for processing-product method in the workshop and keeps up with the time.

pilot production；built-up jig；salver supervision system；robot conveyer system

2014-01-16

童向榮(1981-)，男，陜西西安人，工程師，主要從事工裝夾具、柔性制造系統(tǒng)以及專用組合機床等新產(chǎn)品的設計開發(fā)與研究。

TG75

A

1007-4414(2014)02-0191-04