石偉濤,裴 偉
(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州545005)
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。
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。
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。
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
2.2.1 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
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。
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:
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
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
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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