鄭金來,王德權,熊昌秀,丁　玲

(1.大連工業(yè)大學，遼寧 大連　116034； 2.江蘇高精機電裝備有限公司，江蘇 鹽城　224053)

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箱體類零件敏捷柔性生產線的設計

鄭金來1，2,王德權1,熊昌秀2,丁玲2

(1.大連工業(yè)大學，遼寧 大連116034； 2.江蘇高精機電裝備有限公司，江蘇 鹽城224053)

介紹為解決復雜箱體類零件小批量、大批次、多品種加工，設計了由標準加工中心、雙面臥式柔性加工中心、雙面數控銑床組成的敏捷柔性生產線。該柔性線的配置特點：零點定位系統(tǒng)、智能重型桁架機械手技術和MES系統(tǒng)控制、以及雙面臥式柔性加工中心技術。柔性線的投產使用達到了用戶要求，為以后公司生產線設計制造提供了設計資料，積累了經驗。

敏捷柔性生產線；雙面臥式柔性加工中心；重型桁架機械手；MES系統(tǒng)

0　引言

柔性制造技術是現(xiàn)代先進制造技術的統(tǒng)稱，它集自動化技術、信息技術和加工技術于一體，把以往工廠中相互孤立的設計、制造、管理過程，在計算機及其軟件和數據庫的支持下，構成一個覆蓋整個企業(yè)的有機系統(tǒng)。其在汽車行業(yè)的應用，能使汽車的換代周期由15年縮短至不到5年，設備利用率提高80%以上，生產場地減少50%以上，生產成本降低60%，代表了21世紀汽車制造的前沿技術。

現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，使產品的生命周期越來越短，這要求縮短產品生產周期，降低成本，提高性能，適應不斷變化的市場需求。大批大量生產只占機械制造業(yè)的15%～25%，而中、小批量生產占75%～85%。市場競爭和客戶的個性化需求使多品種，中、小批量生產所占的比重越來越大。同時, 計算機技術的飛速發(fā)展, 加工中心、數控機床的普及，使加工具有更大的靈活性，更適合中、小批量和多品種的生產，為柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展帶來了廣闊的空間。柔性線的構成和應用形式將更加靈活和多樣化，其總體結構將向模塊化、通用化、敏捷性、硬軟件功能兼容和可擴展的設計技術方向發(fā)展。

我國有許多科研院所和企業(yè)都開發(fā)出了柔性生產線。但這些柔性線產品無論在設備的柔性化、智能化還是在生產線的敏捷性、可靠性等方面都與國外的產品存在差距。

本文結合我們?yōu)槟称髽I(yè)設計制造的箱體柔性生產線，介紹在自動線生產現(xiàn)場加工、物流、工件的裝卸、工裝快速更換等方面，應用新工藝、新技術和控制手段，使生產線高效、快速、準確、敏捷。

1　工件加工流程及設備配置

按照用戶要求，這條柔性加工生產線適應后橋殼體和變速箱體兩種零件的加工，加工節(jié)拍：40分/件，機床數量先期定為7臺，并預留兩個工序備用。零件加工前是毛坯，要求完成所有的機加工內容。零件簡圖如圖1、圖2所示。

圖1　后橋殼體

圖2　變速箱體

這兩種箱體結構復雜，加工內容繁多：不僅加工外形六個面及面上各孔，還有內腔面及各孔以及斜面上的各深孔加工。特別是撥叉孔系，在兩層內墻面上，孔直徑為φ18mm,孔深320mm,要求同軸度φ0.04mm，須采用多種工步。零件工序太多，若采用標準加工中心組成生產線不能滿足用戶要求，經過多次討論和周密計算，制定了由標準加工中心、雙面臥式柔性加工中心、雙面數控銑床組成的柔性生產線，配置見表1。

表1　零件加工工藝流程及設備配置

2　柔性線的物流輸送

柔性線的物流輸送計劃采用桁架機械手。工件的重量約45kg,夾具的重量約1.1t，標準臥加工作臺的重量2t。現(xiàn)場物流有兩種：一種是正常加工過程中工件的輸送，一種是更換加工零件時夾具的輸送。標準臥加更換夾具時和工作臺體一起更換，總重量約3.1t。因此決定采用輕、重型兩種不同機械手共用X向驅動軌道，實現(xiàn)工件、工裝夾具的更換。箱體柔性線平面布置圖如圖3所示。

3　柔性線配置特點

(1)加工中心與數控專機柔性聯(lián)線技術

根據工件的工藝特點，利用多臺臥式加工中心進行工藝基準與復雜傾斜面的加工，利用數控專機進行工件的大余量快速加工，利用多臺雙面臥式柔性加工中心進行工件各面及孔系的加工，同時預留相關工位進行工藝能力平衡。由于采用數控專機與雙面臥式柔性加工中心，比普通僅采用標準臥式加工中心的柔性線效率提高可達45%以上。當加工規(guī)模與工件品種發(fā)生變化時，可以通過增減臥式加工中心與雙面臥式柔性加工中心的數量來適應。

圖3　箱體柔性線平面布置圖

(2)智能重型桁架機械手技術

機械手采用模塊化設計，采用輕、重型兩種不同機械手共用X向驅動軌道，抓取過程中自動選取機械手規(guī)格以及合適的參數，能適應多品種工件的快速輸送與自動更換，還可實現(xiàn)夾具、工作臺等部件的自動切換，提高了自動線的柔性化程度；采用獨特的雙齒輪嚙合齒條傳動方式，不僅傳動精度高，而且平穩(wěn)性好，最大提升能力可達4t；每個機械手裝有類型識別裝置，防止機械手錯抓產品，導致撞擊損失。輕型機械手抓取工件，共兩個手爪，一個負責上料，另一個負責卸料；重型機械手用于更換夾具和標準臥加的工作臺。桁架機械手簡圖見圖4。

圖4　智能重型桁架機械手簡圖

(3)雙面臥式柔性加工中心技術

該加工中心采用雙面臥式對稱結構，機床中間配數控移位工作臺，工作臺左右側各配一套三坐標精密柔性制造單元，可方便進行工件裝夾及夾具的更換，工件通過數控移位工作臺移動到位后鎖緊，由兩側的加工單元從兩側同時對工件進行加工，能提高加工效率，保證加工質量，實現(xiàn)多品種工件的高效連續(xù)對稱加工。有以下技術特點和創(chuàng)新點：

采用主軸高轉速與絲桿高速傳動技術。參照電主軸的結構設計，采用油氣潤滑方式，主軸經過動平衡處理，使用直徑大于100mm的軸承，結合公司的一種主軸軸承的調整結構專利技術，利用主軸的內冷、外冷技術，使主軸具有良好的動平衡性、剛性和熱穩(wěn)定性，能承受較高的離心力，主軸最高轉速達到12000r/min。通過加大絲杠導程和增加螺紋頭數，提高絲杠進給速度與承載能力，使用空心絲杠減少絲杠重量和慣量，對絲杠進行內冷減少熱影響，絲杠快移速度可達48m/min。

單元X、Y、Z坐標的絲桿采用中空冷卻機構，利用冷卻液在絲杠中心孔內循環(huán)流動，帶走絲杠高速轉動產生的熱量，減少熱變形，提高傳動精度。采用循環(huán)內冷技術與機床主軸的冷卻方式技術，有效控制主軸高速轉動時溫度變化，保證主軸高速加工時的精度。通過在設備關鍵部位安裝溫度、位置傳感元件，利用數控系統(tǒng)分析并補償坐標的位置實現(xiàn)精密加工，加工單元的定位精度與重復定位精度分別可達8μm和4μm，主軸對稱加工時，其同軸度可達0.01mm。

加工中心配備主副刀庫：主刀庫采用標準刀庫，安裝標準刀具；同時配置專用刀庫，可實現(xiàn)非標刀具的自動換刀。

采用有限元分析方法，針對設備各種工況進行靜、動力學分析，熱應力分析以及運動分析，獲得設備整機、導軌、絲杠、主軸、齒輪和軸承等關鍵零部件的特性參數，采用三坐標模塊式結構與箱中箱結構對設備主體進行優(yōu)化，使加工單元具有足夠的靜剛度和剛度重量比，提高設備高速加工時的隨動性能。通過模態(tài)分析研究高速加工時無阻尼的自由振動，得到振動系統(tǒng)的固有頻率和振型，在設計和使用時避開這些頻率或減小對這些頻率的激勵，以消除或降低過度振動和噪音影響。

(4)快換組合夾具，采用零點定位系統(tǒng)，實現(xiàn)夾具的快速更換，重復定位精度達±3μm。

(5)遠程監(jiān)控與故障預警技術

通過對柔性線中的加工設備、工件流、夾具流、刀具流等進行數據采集、傳輸、分析、對比、顯示，實現(xiàn)對自動線的在線監(jiān)控，同時將對比分析結果與故障庫進行擬合，實現(xiàn)對全線的故障預警；

(6)MES系統(tǒng)

生成線采用MES系統(tǒng)管理。生產執(zhí)行MES系統(tǒng)可監(jiān)控從原材料進廠到產品成品入庫的全部生產過程，記錄生產過程產品使用的材料、設備，零件檢測數據和結果以及零件在每道工序上加工時間、人員等信息，實現(xiàn)生產過程設備、工位、在制品的可視化管理，為企業(yè)的生產決策層提供準確的生產數據信息。

目前，該生產線已正常使用，雙面臥式柔性加工中心雙面對稱加工時同軸度可達±0.01mm，桁架機械手輸送精度達0.1mm/M，快換組合夾具的定位精度達±5μm，試切殼體類零件時，工件孔精度達±2μm，平面度達±0.01mm/300mm。零件加工精度、加工節(jié)拍均達到要求。機械手重復定位精度達±0.3mm,更換夾具時間<180s。

4　結論

該自動線由加工中心、數控專機、重型桁架機械手、在線檢測系統(tǒng)和智能管控系統(tǒng)組成，具有信息集成度高、品種切換快、性價比高等特點，主要用于汽車發(fā)動機缸體、缸蓋以及變速箱殼類零件的多品種、小批量、大批次生產，具有快速、高精度、高效率、柔性、敏捷性等特點。并可擴展到其他機械產品的加工。全線數控裝備數量>85%，設備使用率>90%，全線工件品種切換時間2h、最多可兼容10種規(guī)格工件加工、整條線設備能力指數Cmk值≥1.67，MTBF≥2000h。

箱體柔性線的研制成功，為以后公司在敏捷柔性生產線設計制造提供了寶貴的資料和經驗。

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(編輯李秀敏)

The Design for Agility Flexible Production Line of Box-type Part

ZHENG Jin-lai1,2, WANG De-quan1, XIONG Chang-xiu2, DING Ling2

(1.Dalian Polytechnic University,Dalian Liaoning 116034,China;2.Jiangsu Gaojing Mechanical & Electrical Equipment Co.,Ltd.,Yancheng Jiangsu 224053,China)

The design for agility flexible production line which is composed of standard machining center, double-sided horizontal flexible machining center and double-sided CNC milling machine resolves box type parts in small lot production, mass production and multi-species mixed production. Present the feature of flexible production line configuration: zero positioning system, technology of intelligent heavy truss manipulator, MES system control and technology of double-sided horizontal flexible machining center. Flexible production line put into production meets customer requirement, which provides design data and experience for enterprise in subsequent production line design and manufacture.

agility flexible production line;double-sided horizontal flexible machining center;heavy truss manipulator;MES system

1001-2265(2016)09-0132-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.038

2016-06-20;

2016-07-29

鄭金來(1967—)，男，江蘇鹽城人，江蘇高精機電裝備有限公司高級工程師，大連工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為機械制造工藝與設備，(E-mail)gjzb-zjl@vip.163.com。

TH122;TG65

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