石偉濤，裴 偉

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545005）

0 引言

缸蓋是發(fā)動機的重要組成部分之一，安裝在缸體上面，從上部密封氣缸并構成燃燒室。缸蓋上還裝有進排氣門、火花塞、凸輪軸、凸輪軸蓋等。它經常承受著很大的熱負荷和機械負荷，因此，保證缸蓋的加工尺寸精度尤為重要。

在實際生產中，抽檢時經常發(fā)現缸蓋燃燒室高度超差、頂面高度不合格等問題，檢查發(fā)現由于探針粘鋁，造成了缸蓋底面或頂面多切，而探針粘鋁在設備運行過程中是很難發(fā)現的。針對該問題，本文著重介紹如何通過FANUC數控系統(tǒng)來檢測判斷缸蓋厚度尺寸是否加工超差。缸蓋厚度的加工檢測主要是通過加工中心的探針探測的數據，通過數控處理系統(tǒng)計算判斷出來的。缸蓋厚度尺寸包括兩方面：一是燃燒室高度；二是缸蓋頂面到底面的高度。燃燒室高度是影響燃燒容積的關鍵因素，缸蓋頂面到底面的距離是影響凸輪軸蓋加工以及凸輪軸安裝的關鍵因素。因此，必須消除探針粘鋁所造成的缸蓋厚度加工不合格的影響。通過對數控系統(tǒng)的研究，在某些工序后增加探針探測判斷，可以實現缸蓋厚度100%在線檢測，從而避免了工件的大量報廢。

1 FANUC數控系統(tǒng)概述[1]

FANUC數控系統(tǒng)是由輸入/輸出裝置、NC系統(tǒng)、PMC系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、機床本體、以太網、位置測量與反饋系統(tǒng)組成。各系統(tǒng)相互關聯(lián)框架圖如圖1所示。

圖1 FANUC系統(tǒng)控制圖

從圖1中可以看出，FANUC數控系統(tǒng)控制是一個閉合的環(huán)路，利用該數控方法可以實現設備的自動探測加工判斷。

2 缸蓋厚度加工工藝分析

以某型缸蓋為例來闡述，缸蓋厚度方向結構示意圖如圖2所示。

圖2 缸蓋厚度方向結構示意圖

圖中，B′為預加工毛坯后的缸蓋底面；B為在B′基礎上除去余量后的底面；W為燃燒室高度探測點；A′為預加工毛坯后的缸蓋頂面；A為除去0.5 mm余量后的缸蓋頂面；0.5STK為0.5 mm余量。

2.1 缸蓋厚度的工藝安排

缸蓋的頂面和底面分別分兩次加工：粗加工和精加工。粗加工除去毛坯余量，精加工除去0.5 mm以內的余量。先加工的是缸蓋的頂面，后加工的是缸蓋的底面。缸蓋的頂面和底面粗加工余量設計時已經定義給出，但受毛坯鑄造的影響，有可能某些缸蓋毛坯沒有達到鑄造的要求，此時就需要測量工具測量，對于現有缸蓋加工技術，一般采用在加工中心安裝測頭（探針）來測量，因此，在加工缸蓋頂面和底面之前，需要探針探測燃燒室高度來判斷是否有余量加工。精加工余量缸蓋頂面和底面不同，為保證燃燒室高度，缸蓋底面需要用探針再次探測判斷缸蓋底面的加工余量，對于頂面，由于前幾道工序有探測判斷，就一定能保證0.5 mm的切削余量，具體流程圖如圖3所示。

圖3 缸蓋頂面和底面工序流程圖

2.2 缸蓋厚度加工余量探測原理分析[2]

2.2.1 缸蓋頂面粗加工余量探測原理分析

缸蓋頂面粗加工余量判斷探測原理圖如圖4所示，探測缸蓋燃燒室上 4 個點（W1、W2、W3、W4），通過4個點在機械位置的平均高度來判斷加工余量是否符合要求。

圖4 缸蓋頂面粗加工余量判斷探測原理圖

2.2.2 缸蓋底面粗加工余量探測原理分析

缸蓋底面粗加工余量判斷探測原理圖如圖5所示，探測缸蓋燃燒室上 4 個點（W1、W2、W3、W4），通過4個點在機械位置的平均高度來判斷加工余量是否符合要求。

圖5 缸蓋底面粗加工余量判斷探測原理圖

2.2.3 缸蓋底面精加工余量探測原理分析

缸蓋底面精加工余量判斷探測原理圖如圖6所示，探測缸蓋底面上 4 個點（A1、A2、A3、A4），通過 4個點在機械位置的平均高度來判斷加工余量是否符合要求。

圖6 缸蓋底面精加工余量判斷探測原理圖

2.3 實際加工余量的數學表達式

在2.2中詳細描述了探針探測原理以及判斷要求，從中可以看出，探針僅僅只是在加工前進行判斷是否有加工余量，如前所述，如果探針粘鋁或破損，將會造成虛假的加工余量判斷，就會導致多切或少切。此時設備加工后也無測量判斷，導致不合格件一直加工到下線，造成了大量的浪費。

下面針對該問題，用數學表達式的方法來推理。分工序描述如下：

1）工序1：粗加工缸蓋頂面，判斷原理如圖7.

圖7 粗加工缸蓋頂面，判斷原理圖

圖中相關參數釋義如下：L1為缸蓋頂面A′到探針表面名義距離，設計值。H1為缸蓋毛坯頂面到W點距離；C-A-AXSIS為A軸零點所在位置；R1為W點到毛坯底面的距離；Z1為探針從機床零點移到缸蓋燃燒室W點的機械位置值；y1為機床裝配誤差以及探針粘鋁或破損的誤差系數；150為工裝零點到機床零點的距離；x1為缸蓋頂面實際加工余量。

設主軸端面向右為正方向，以上參數可以建立如下的近似等式關系：

將（1）變換如下：

L1、H1、R1 為設計值，為定值，因此，當 y1 增大時，也即探針粘鋁時（暫不考慮機床裝配精度，下同），探針被加長，y1為正值，Z1+ y 1 增大，x1將增大，也即是會導致缸蓋頂面多切。當y1減小時，也即當探針破損時，探針被減短，y1為負值，Z1+ y 1減小，x1為將減小，也即是會導致缸蓋頂面少切。

2）工序2：粗加工缸蓋底面，判斷原理如下圖8.

圖8 粗加工缸蓋底面，判斷原理圖

圖中相關參數釋義如下：

L2為缸蓋頂面A′到探針表面名義距離，設計值。

Z2為探針從機床零點移到缸蓋燃燒室W點的機械位置值；Y2為機床裝配誤差以及探針粘鋁或破損的誤差系數;H2為缸蓋頂面A′到W點距離；R2為W點到缸蓋底面B′的距離；x2為缸蓋底面實際加工余量；C-A-AXSIS為A軸零點所在位置；120為工裝零點到機床零點的距離；

設主軸端面向右為正方向，以上參數可以建立如下的近似等式關系：

將（3）變換如下：

L2、H2、R2 為設計值，為定值，因此，當 y2 增大時，也即探針粘鋁時（暫不考慮機床裝配精度，下同），探針被加長，y2為正值，Z2+ y 2 增大，x2將增大，也即是會導致缸蓋底面多切。當y2減小時，也即當探針破損時，探針被減短，y2為負值，Z2+y 2減小，x2為將減小，也即是會導致缸蓋底面少切。

3）工序3：精加工缸蓋底面，設計余量為0.5mm，判斷原理如圖9.

圖9 精加工缸蓋底面判斷原理圖

圖中相關參數釋義如下：

L3為缸蓋頂面A′到探針表面名義距離，設計值；

Z3為探針從機床零點移到缸蓋底面B′的機械位置值；Y3為機床裝配誤差以及探針粘鋁或破損的誤差系數；H3為缸蓋頂面A′到缸蓋底面B的距離；x3為缸蓋底面實際加工余量；0.5STK；缸蓋底面名義加工余量；C-A-AXSIS：A 軸零點所在位置；120：工裝零點到機床零點的距離。

設主軸端面向右為正方向，以上參數可以建立如下的近似等式關系：

將（5）變換如下：

L3、H3為設計值，為定值，因此，當y3增大時，也即探針粘鋁時（暫不考慮機床裝配精度，下同），探針被加長，y3為正值，Z3+ y 3 增大，x3將增大，實際切削余量將會大于0.5 mm，也即是會導致缸蓋底面多切。當y3減小時，也即當探針破損時，探針被減短，y3為負值，Z3+ y 3 減小，x3為將減小，實際切削余量將會小于0.5 mm，也即是會導致缸蓋底面少切。

2.4 缸蓋厚度判斷條件的數學表達式

在2.3中詳細闡述了實際加工余量與設備相對位置關系的相互影響，從中可以看出，主要變化的是探針移動的機械位置，這個位置的變化主要受探針本身的影響（排除機床的裝配精度），假設探針移動的名義距離是Z，受探針影響變化系數為y，則加工合格的工件上機床探測后，Z處的范圍就為：

2.5 缸蓋厚度判斷條件的NC程序控制

如2.4中所述，根據缸蓋厚度的加工順序，將判斷條件編制如下（介于篇幅有限，這里只示意判斷語句）：

1）缸蓋頂面完成粗加工后的NC判斷語句[3]：

IF[ABS[#9]LT（Z-y）]GOTO9906

IF[ABS[#9]GT（Z+y）]GOTO9906

#9：FANUC數控系統(tǒng)定義的宏參數，與上述Z的定義相同。

Z-y：在這里要考慮極限的情況，也即是缸蓋頂面完全沒有加工的情況。

Z+y：在這里要考慮極限的情況，也即是缸蓋頂面剛要加工超下差的情況。

語句含義：語句1指的探針移動的距離#9小于等于Z-y時，程序跳轉到9906程序段，設備報警，提醒缸蓋在前道工序加工超差；語句2反之亦然。

2）缸蓋底面完成粗加工后的NC判斷語句：

（*COMBUSTION DETPH H TOL ε）

IF[ABS[#15-H]GT ε]GOTO13400

#15：FANUC數控系統(tǒng)定義的宏參數，探針到缸蓋W點與到B’面間的差值，也即是實測的燃燒室高度值；

H：燃燒室高度設計值；

ε：燃燒室高度設計極限值；

語句含義：語句1，解釋語句，說明燃燒室高度及要求極限偏差值；語句2，如果燃燒室高度大于等于設計極限值，則跳轉到13400程序段報警工件加工超差。

3）缸蓋底面完成精加工后的NC判斷語句：

IF[ABS[#9]LT（Z-y）]GOTO9960

IF[ABS[#9]GT（Z+y）]GOTO9960

釋義同1）。

因此，對于圖3缸蓋頂面和底面工序安排，基于FANUC數控系統(tǒng)，流程圖優(yōu)化如下，見圖10.

圖10 FANUC數控系統(tǒng)，流程圖優(yōu)化

3 實例應用

某公司缸蓋厚度加工工藝安排如下：

OP10：粗加工缸蓋頂面；

OP15：粗加工缸蓋底面；

OP90：精加工缸蓋底面；

OP130：精加工缸蓋頂面；

按照上述的分析研究，考慮到加工節(jié)拍，粗加工缸蓋頂面高度檢測放在OP15檢測；粗加工缸蓋底面高度檢測放在OP20檢測；

精加工缸蓋底面高度檢測放在本工位檢測；

精加工靠前面保證，無須檢測。根據缸蓋的具體尺寸，將數值帶入2.5中對應的程序段，再將程序導入機床，用事先準備好的多切超差件上機床驗證，出現報警信息提示，機床停止工作，提醒員工工件尺寸有問題或者探針有異常（粘鋁、磨損、斷裂等）以OP15為例示意如圖11所示，驗證成功。

圖11 防錯報警信息圖

4 結束語

1）基于FANUC數控系統(tǒng)的探測原理，推導出缸蓋厚度加工余量判斷的數學表達式；

2）基于對FANUC數控系統(tǒng)的了解，以及對缸蓋厚度加工工藝的分析，通過設備本身軟硬件相結合的方法，實現了缸蓋厚度由于探針粘鋁或者破損，導致加工過程中缸蓋厚度不合格的防錯控制方法。該控制方法簡單有效，極大地降低了產品報廢率。

參考文獻：

[1]陳 魁.FANUC 30i 31i 32i車床系統(tǒng)加工中心系統(tǒng)操作說明書[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]李 曉，羅 勇，成武劉.提高新區(qū)磨機臺時產量[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[3]吳 強，姜 平，葛林安.降低AB系列柜機室內機底盤破損率[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.