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(dòng)機(jī)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(gòu)成燃燒室。缸蓋上還裝有進(jìn)排氣門、火花塞、凸輪軸、凸輪軸蓋等。它經(jīng)常承受著很大的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，因此，保證缸蓋的加工尺寸精度尤為重要。

在實(shí)際生產(chǎn)中，抽檢時(shí)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)缸蓋燃燒室高度超差、頂面高度不合格等問(wèn)題，檢查發(fā)現(xiàn)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(shè)備運(yùn)行過(guò)程中是很難發(fā)現(xiàn)的。針對(duì)該問(wèn)題，本文著重介紹如何通過(guò)FANUC數(shù)控系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)判斷缸蓋厚度尺寸是否加工超差。缸蓋厚度的加工檢測(cè)主要是通過(guò)加工中心的探針探測(cè)的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)控處理系統(tǒng)計(jì)算判斷出來(lái)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(guān)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(guān)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(guò)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的研究，在某些工序后增加探針探測(cè)判斷，可以實(shí)現(xiàn)缸蓋厚度100%在線檢測(cè)，從而避免了工件的大量報(bào)廢。

1 FANUC數(shù)控系統(tǒng)概述[1]

FANUC數(shù)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(jī)床本體、以太網(wǎng)、位置測(cè)量與反饋系統(tǒng)組成。各系統(tǒng)相互關(guān)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，F(xiàn)ANUC數(shù)控系統(tǒng)控制是一個(gè)閉合的環(huán)路，利用該數(shù)控方法可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)探測(cè)加工判斷。

2 缸蓋厚度加工工藝分析

以某型缸蓋為例來(lái)闡述，缸蓋厚度方向結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 缸蓋厚度方向結(jié)構(gòu)示意圖

圖中，B′為預(yù)加工毛坯后的缸蓋底面；B為在B′基礎(chǔ)上除去余量后的底面；W為燃燒室高度探測(cè)點(diǎn)；A′為預(yù)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(nèi)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(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)定義給出，但受毛坯鑄造的影響，有可能某些缸蓋毛坯沒(méi)有達(dá)到鑄造的要求，此時(shí)就需要測(cè)量工具測(cè)量，對(duì)于現(xiàn)有缸蓋加工技術(shù)，一般采用在加工中心安裝測(cè)頭（探針）來(lái)測(cè)量，因此，在加工缸蓋頂面和底面之前，需要探針探測(cè)燃燒室高度來(lái)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(cè)判斷缸蓋底面的加工余量，對(duì)于頂面，由于前幾道工序有探測(cè)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(cè)原理分析[2]

2.2.1 缸蓋頂面粗加工余量探測(cè)原理分析

缸蓋頂面粗加工余量判斷探測(cè)原理圖如圖4所示，探測(cè)缸蓋燃燒室上 4 個(gè)點(diǎn)（W1、W2、W3、W4），通過(guò)4個(gè)點(diǎn)在機(jī)械位置的平均高度來(lái)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(cè)原理圖

2.2.2 缸蓋底面粗加工余量探測(cè)原理分析

缸蓋底面粗加工余量判斷探測(cè)原理圖如圖5所示，探測(cè)缸蓋燃燒室上 4 個(gè)點(diǎn)（W1、W2、W3、W4），通過(guò)4個(gè)點(diǎn)在機(jī)械位置的平均高度來(lái)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(cè)原理圖

2.2.3 缸蓋底面精加工余量探測(cè)原理分析

缸蓋底面精加工余量判斷探測(cè)原理圖如圖6所示，探測(cè)缸蓋底面上 4 個(gè)點(diǎn)（A1、A2、A3、A4），通過(guò) 4個(gè)點(diǎn)在機(jī)械位置的平均高度來(lái)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(cè)原理圖

2.3 實(shí)際加工余量的數(shù)學(xué)表達(dá)式

在2.2中詳細(xì)描述了探針探測(cè)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(jìn)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(huì)造成虛假的加工余量判斷，就會(huì)導(dǎo)致多切或少切。此時(shí)設(shè)備加工后也無(wú)測(cè)量判斷，導(dǎo)致不合格件一直加工到下線，造成了大量的浪費(fèi)。

下面針對(duì)該問(wèn)題，用數(shù)學(xué)表達(dá)式的方法來(lái)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(guān)參數(shù)釋義如下：L1為缸蓋頂面A′到探針表面名義距離，設(shè)計(jì)值。H1為缸蓋毛坯頂面到W點(diǎn)距離；C-A-AXSIS為A軸零點(diǎn)所在位置；R1為W點(diǎn)到毛坯底面的距離；Z1為探針從機(jī)床零點(diǎn)移到缸蓋燃燒室W點(diǎn)的機(jī)械位置值；y1為機(jī)床裝配誤差以及探針粘鋁或破損的誤差系數(shù)；150為工裝零點(diǎn)到機(jī)床零點(diǎn)的距離；x1為缸蓋頂面實(shí)際加工余量。

設(shè)主軸端面向右為正方向，以上參數(shù)可以建立如下的近似等式關(guān)系：

將（1）變換如下：

L1、H1、R1 為設(shè)計(jì)值，為定值，因此，當(dāng) y1 增大時(shí)，也即探針粘鋁時(shí)（暫不考慮機(jī)床裝配精度，下同），探針被加長(zhǎng)，y1為正值，Z1+ y 1 增大，x1將增大，也即是會(huì)導(dǎo)致缸蓋頂面多切。當(dāng)y1減小時(shí)，也即當(dāng)探針破損時(shí)，探針被減短，y1為負(fù)值，Z1+ y 1減小，x1為將減小，也即是會(huì)導(dǎo)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(guān)參數(shù)釋義如下：

L2為缸蓋頂面A′到探針表面名義距離，設(shè)計(jì)值。

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

設(shè)主軸端面向右為正方向，以上參數(shù)可以建立如下的近似等式關(guān)系：

將（3）變換如下：

L2、H2、R2 為設(shè)計(jì)值，為定值，因此，當(dāng) y2 增大時(shí)，也即探針粘鋁時(shí)（暫不考慮機(jī)床裝配精度，下同），探針被加長(zhǎng)，y2為正值，Z2+ y 2 增大，x2將增大，也即是會(huì)導(dǎo)致缸蓋底面多切。當(dāng)y2減小時(shí)，也即當(dāng)探針破損時(shí)，探針被減短，y2為負(fù)值，Z2+y 2減小，x2為將減小，也即是會(huì)導(dǎo)致缸蓋底面少切。

3）工序3：精加工缸蓋底面，設(shè)計(jì)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(guān)參數(shù)釋義如下：

L3為缸蓋頂面A′到探針表面名義距離，設(shè)計(jì)值；

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

設(shè)主軸端面向右為正方向，以上參數(shù)可以建立如下的近似等式關(guān)系：

將（5）變換如下：

L3、H3為設(shè)計(jì)值，為定值，因此，當(dāng)y3增大時(shí)，也即探針粘鋁時(shí)（暫不考慮機(jī)床裝配精度，下同），探針被加長(zhǎng)，y3為正值，Z3+ y 3 增大，x3將增大，實(shí)際切削余量將會(huì)大于0.5 mm，也即是會(huì)導(dǎo)致缸蓋底面多切。當(dāng)y3減小時(shí)，也即當(dāng)探針破損時(shí)，探針被減短，y3為負(fù)值，Z3+ y 3 減小，x3為將減小，實(shí)際切削余量將會(huì)小于0.5 mm，也即是會(huì)導(dǎo)致缸蓋底面少切。

2.4 缸蓋厚度判斷條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式

在2.3中詳細(xì)闡述了實(shí)際加工余量與設(shè)備相對(duì)位置關(guān)系的相互影響，從中可以看出，主要變化的是探針移動(dòng)的機(jī)械位置，這個(gè)位置的變化主要受探針本身的影響（排除機(jī)床的裝配精度），假設(shè)探針移動(dòng)的名義距離是Z，受探針影響變化系數(shù)為y，則加工合格的工件上機(jī)床探測(cè)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(jù)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(yǔ)句）：

1）缸蓋頂面完成粗加工后的NC判斷語(yǔ)句[3]：

IF[ABS[#9]LT（Z-y）]GOTO9906

IF[ABS[#9]GT（Z+y）]GOTO9906

#9：FANUC數(shù)控系統(tǒng)定義的宏參數(shù)，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(méi)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(yǔ)句含義：語(yǔ)句1指的探針移動(dòng)的距離#9小于等于Z-y時(shí)，程序跳轉(zhuǎn)到9906程序段，設(shè)備報(bào)警，提醒缸蓋在前道工序加工超差；語(yǔ)句2反之亦然。

2）缸蓋底面完成粗加工后的NC判斷語(yǔ)句：

（*COMBUSTION DETPH H TOL ε）

IF[ABS[#15-H]GT ε]GOTO13400

#15：FANUC數(shù)控系統(tǒng)定義的宏參數(shù)，探針到缸蓋W點(diǎn)與到B’面間的差值，也即是實(shí)測(cè)的燃燒室高度值；

H：燃燒室高度設(shè)計(jì)值；

ε：燃燒室高度設(shè)計(jì)極限值；

語(yǔ)句含義：語(yǔ)句1，解釋語(yǔ)句，說(shuō)明燃燒室高度及要求極限偏差值；語(yǔ)句2，如果燃燒室高度大于等于設(shè)計(jì)極限值，則跳轉(zhuǎn)到13400程序段報(bào)警工件加工超差。

3）缸蓋底面完成精加工后的NC判斷語(yǔ)句：

IF[ABS[#9]LT（Z-y）]GOTO9960

IF[ABS[#9]GT（Z+y）]GOTO9960

釋義同1）。

因此，對(duì)于圖3缸蓋頂面和底面工序安排，基于FANUC數(shù)控系統(tǒng)，流程圖優(yōu)化如下，見(jiàn)圖10.

圖10 FANUC數(shù)控系統(tǒng)，流程圖優(yōu)化

3 實(shí)例應(yīng)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(cè)放在OP15檢測(cè)；粗加工缸蓋底面高度檢測(cè)放在OP20檢測(cè)；

精加工缸蓋底面高度檢測(cè)放在本工位檢測(cè)；

精加工靠前面保證，無(wú)須檢測(cè)。根據(jù)缸蓋的具體尺寸，將數(shù)值帶入2.5中對(duì)應(yīng)的程序段，再將程序?qū)霗C(jī)床，用事先準(zhǔn)備好的多切超差件上機(jī)床驗(yàn)證，出現(xiàn)報(bào)警信息提示，機(jī)床停止工作，提醒員工工件尺寸有問(wèn)題或者探針有異常（粘鋁、磨損、斷裂等）以O(shè)P15為例示意如圖11所示，驗(yàn)證成功。

圖11 防錯(cuò)報(bào)警信息圖

4 結(jié)束語(yǔ)

1）基于FANUC數(shù)控系統(tǒng)的探測(cè)原理，推導(dǎo)出缸蓋厚度加工余量判斷的數(shù)學(xué)表達(dá)式；

2）基于對(duì)FANUC數(shù)控系統(tǒng)的了解，以及對(duì)缸蓋厚度加工工藝的分析，通過(guò)設(shè)備本身軟硬件相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了缸蓋厚度由于探針粘鋁或者破損，導(dǎo)致加工過(guò)程中缸蓋厚度不合格的防錯(cuò)控制方法。該控制方法簡(jiǎn)單有效，極大地降低了產(chǎn)品報(bào)廢率。

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