上海機床廠有限公司 王 瑞

一、概述

第十屆中國數(shù)控機床展覽會（CCMT2018）于2018年4月9-13日在上海新國際展覽中心舉辦。CCMT2018主題確立為：聚焦——數(shù)字·互聯(lián)·智造。這一主題響應了國內(nèi)外機床工具消費市場的最新變化，凝練了國內(nèi)外機床工具產(chǎn)業(yè)對未來發(fā)展方向的關注和思考。上海機床廠有限公司出展的“全自動曲軸類零件加工線”獲得了本屆“春燕獎”。

隨著“工業(yè)4.0”和“智能制造2025”概念的提出，由工業(yè)機器人替代傳統(tǒng)人工的發(fā)展趨勢已在制造行業(yè)越發(fā)明確。不論是行業(yè)巨頭如上海寶鋼的全自動無人磨輥車間，還是傳統(tǒng)用工大戶富士康新建立的機器人工廠，都已經(jīng)宣告這股“機器代替人”浪潮的不可阻擋。

隨著我國船舶、汽車等工業(yè)的發(fā)展，各種發(fā)動機、內(nèi)燃機的產(chǎn)量越來越大，質(zhì)量要求也越來越高。曲軸及偏心軸類零件是汽車發(fā)動機和船舶、機車等內(nèi)燃機上的關鍵零件，需求量大，要求的加工精度高。加工精度對發(fā)動機、內(nèi)燃機的性能起決定性作用。曲軸及偏心軸類零件作為傳統(tǒng)工業(yè)傳動中的核心零件，在當前國家倡導“綠色經(jīng)濟”，強調(diào)提高質(zhì)量、增加效率發(fā)展的大環(huán)境下，應用領域得到了大幅拓展。隨著新技術的不斷完善，新能源汽車混合發(fā)動機的曲軸、高效節(jié)能壓縮機的新型曲柄軸、關節(jié)機器人RV減速器中的偏心軸，都在方方面面改變著人們的日常生活。曲軸及偏心軸類零件加工工藝相對復雜，往往需要加工主軸頸、連桿頸和定位端面。傳統(tǒng)曲軸制造行業(yè)多采用人工裝夾方式，通過調(diào)整偏心分度卡盤，實現(xiàn)不同相位連桿頸的磨削。同時需要另外配置主軸頸磨床和端面磨床來完成整個加工過程。主軸頸和連桿頸分配在多臺機床上磨削，多次人工裝夾不可避免會造成累積誤差，對加工的一致性影響較大，不符合工業(yè)自動化的發(fā)展要求。所以，如何既高效又持續(xù)穩(wěn)定的加工曲軸類零件，就變得尤為重要?；谝陨系难邪l(fā)背景，上海機床廠有限公司設計并制造了全自動曲軸類零件加工線。

二、產(chǎn)品性能介紹及關鍵技術應用

本產(chǎn)品“全自動曲軸類零件加工線”由一臺MK1620×750端面外圓磨床、一臺MK8232/SD×750數(shù)控切點跟蹤曲軸磨床和一臺FANUC R-1000iA/100F六軸關節(jié)式機器人組成，配置了完善的感應開關及可靠的電氣保護系統(tǒng)。在加工線中，端面外圓磨床主要負責磨削曲軸的定位端面，數(shù)控切點跟蹤曲軸磨床主要負責以“切點跟蹤”的隨動方式高效地完成曲軸主軸頸和連桿頸的磨削，各工位的自動上下料及工位之間的自動轉(zhuǎn)換均由六軸關節(jié)式機器人循環(huán)實現(xiàn)。該加工線可以實現(xiàn)曲軸及偏心軸類零件從定位端面磨削到主軸頸、連桿頸一次裝夾磨削的全自動運行，無需人工參與，大幅提升了零件出產(chǎn)效率，提高了零件加工一致性，顯著降低勞動強度。

圖1 全自動曲軸類零件加工線

1.MK1620×750端面外圓磨床

MK1620×750端面外圓磨床是用于大批量加工軸類零件外圓、端面和圓弧的設備。該機床為工作臺移動式機床。工作臺在床身上作縱向往復移動，砂輪架在墊板上作橫向進給運動，砂輪主軸旋轉(zhuǎn)由靜壓或動靜壓或滾動軸承等三種支承方式中的一種來支承（支承方式可根據(jù)用戶或被加工工件來選擇）。工件由頭架驅(qū)動旋轉(zhuǎn)并可無級調(diào)速；砂輪架導軌采用直線導軌，工作臺導軌采用V-平導軌。該機床能在一次安裝工件的情況下，完成多檔外圓、端面的自動循環(huán)磨削。具有砂輪自動進給，粗、精、無火花磨削、工作臺自動跳檔、工件轉(zhuǎn)速自動切換、前置修整實現(xiàn)砂輪自動修整及自動補償、自動測量工件及循環(huán)動作安全聯(lián)鎖等多種功能。機床采用FANUC數(shù)控系統(tǒng)，內(nèi)裝PLC，帶手搖脈沖發(fā)生器， LCD彩色中文顯示。機床配有專用的用戶界面，其中包括坐標設定畫面、砂輪形狀參數(shù)設定畫面、修整參數(shù)設定畫面、量儀對刀補償畫面、磨削參數(shù)設定畫面等，這些專用畫面大大方便了用戶的操作。

圖2 MK1620×750端面外圓磨床

1.1 主要規(guī)格參數(shù)

最大磨削直徑： 200 mm

最小磨削直徑： 6 mm

最大工件長度： 750 mm

最大工件重量： 50 kg

砂輪線速度： 45 m/s

中心高： 125 mm

工作臺轉(zhuǎn)角范圍： +3o～-7o

圓度 0.0015 mm

縱截面內(nèi)直徑一致性 0.003mm

外圓表面粗糙度 Ra0.32μm

端面表面粗糙度 Ra0.63μm

1.2 主要部件結(jié)構(gòu)概括

（1）床身為整體式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部筋板呈箱型布置。采用低合金高強度孕育鑄鐵，具有很高的整體剛度和表面耐磨性及抗震能力。滿足高效、高精度設備對基礎件的要求。寬水槽設計確保冷卻水回水的暢通。

（2）砂輪架部件有四個主要部分組成：砂輪架，砂輪主軸系統(tǒng)，砂輪驅(qū)動單元，砂輪罩。砂輪架用于安裝砂輪驅(qū)動單元和砂輪主軸系統(tǒng)，并可在直線導軌上運動。砂輪主軸系統(tǒng)采用動靜壓軸承，配有單獨油箱和壓力保護裝置以及用于裝砂輪的法蘭。砂輪法蘭和砂輪安裝在主軸的右端。砂輪驅(qū)動單元是指安裝于砂輪架后部的一個交流電機通過皮帶從主軸的左端帶動砂輪主軸旋轉(zhuǎn)。砂輪罩為安全防護部件。砂輪罩包括砂輪罩殼、砂輪罩門和可調(diào)節(jié)的小罩。

（3）工作臺采用雙層結(jié)構(gòu)，可回轉(zhuǎn)角度，角度調(diào)節(jié)范圍為+3o～-7o，以磨削具有錐度的工件，并且可以用于微調(diào)工件的圓柱度。工作臺進給機構(gòu)采用帶內(nèi)置高精度編碼器的交流伺服電機直接驅(qū)動滾珠絲桿并控制工作臺移動。工作臺導軌采用引進LANDIS技術特殊工藝制造的液壓平―V滑動導軌。導軌表面經(jīng)過深刀花人工刮削，并采用了專用導軌潤滑油，使工作臺運動平穩(wěn)可靠。

（4）頭架是為工件提供傳動動力和支承定位的部件，由變頻器控制交流異步電機轉(zhuǎn)速，通過一級皮帶傳動減速帶動法蘭，使工件獲得所需的粗、精磨的各種速度。

（5）尾架與頭架功能類似，是為工件提供回轉(zhuǎn)支承和定位的部件。該尾架采用套筒移動式，頂尖由其連接的油缸來驅(qū)動。頂尖套筒由直線軸承支承，并在直線軸承導向下作直線往復移動，以實現(xiàn)工件的張緊和松開。

（6）砂輪修整器對修復砂輪外形，修復砂輪切削表面特性和調(diào)整砂輪來說是必要的，并且在磨削循環(huán)中可以自動修整砂輪。砂輪修整器緊固在頭架外側(cè)靠砂輪一面，在修整過程中，砂輪架與工作臺移動實現(xiàn)聯(lián)動修整。

圖3 MK1620×750機械傳動原理圖

2.MK8232/SD×750數(shù)控切點跟蹤曲軸磨床

MK8232/SD×750數(shù)控切點跟蹤曲軸磨床能在一次裝夾下實現(xiàn)曲軸主軸頸和連桿頸和小軸端的磨削，適用于汽車整機廠發(fā)動機生產(chǎn)線四缸機、六缸機的曲軸磨削，是為汽車、柴油機行業(yè)配套，主要用于大批量磨削曲軸的設備。

MK8232/SD×750數(shù)控切點跟蹤曲軸磨床床具有自動頂緊工件、工件軸向自動定位、工件相位角自動識別，直徑自動測量、砂輪恒線速運轉(zhuǎn)、自動修整砂輪及自動砂輪補償、自動跳檔等功能。目前,國內(nèi)只有一兩家公司有能力制造。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，本機床處于國內(nèi)先進水平。與國外的同類產(chǎn)品比較，我們機床有些結(jié)構(gòu)及性能接近它們。

圖4 數(shù)控切點跟蹤曲軸磨床

2.1 主要規(guī)格參數(shù)

最大磨削直徑： 320 mm

最大工件長度： 750 mm

中心高： 200 mm

最大工件重量： 50 kg

CBN砂輪最大線速度 90 m/s

圓度 0.003 mm

圓柱度 0.004 mm

表面粗糙度 Ra0.32μm

本機床采用工作臺移動式結(jié)構(gòu)。工件安裝在工作臺上，由頭架、尾架、托架支承工件，工件作旋轉(zhuǎn)運動，工作臺作縱向往復移動和砂輪架作橫向進給運動由數(shù)控控制的結(jié)構(gòu)布局。主要部件結(jié)構(gòu)如下：

（1）床身為整體式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部筋板呈箱型布置。采用低合金高強度孕育鑄鐵，具有很高的整體剛度和表面耐磨性及抗震能力。滿足高效、高精度設備對基礎件的要求。寬水槽設計確保冷卻水回水的暢通。

（2）砂輪架主軸系統(tǒng)采用電主軸。主軸電機由交流變頻器控制轉(zhuǎn)速并與數(shù)控系統(tǒng)相連，通過數(shù)控系統(tǒng)對砂輪直徑的監(jiān)測從而實現(xiàn)砂輪恒線速。

圖5 砂輪電主軸系統(tǒng)圖

砂輪架進給系統(tǒng)采用直線電機帶動砂輪架進給，力學閉式結(jié)構(gòu)。經(jīng)過靜壓導軌供應商的Zollern公司的建議，采用其閉式結(jié)構(gòu)的靜壓導軌，導軌為內(nèi)部節(jié)流形式，導軌間有相互反饋。具有良好的定位精度、耐磨性、剛性、低速運動平穩(wěn)性及抗震性，以保證砂輪架進給靈敏度和穩(wěn)定性。

圖6 砂輪架靜壓導軌結(jié)構(gòu)圖

（3）工作臺采用單層結(jié)構(gòu)。工作臺進給機構(gòu)采用帶內(nèi)置高精度編碼器的交流伺服電機直接驅(qū)動滾珠絲桿并控制工作臺移動。工作臺導軌采用引進LANDIS技術特殊工藝制造的液壓平―V滑動導軌。導軌表面經(jīng)過深刀花人工刮削，并采用了專用導軌潤滑油，使工作臺運動平穩(wěn)可靠。

（4）頭架為可回轉(zhuǎn)內(nèi)置力矩電機結(jié)構(gòu)，為工件提供支撐和平滑無振動的旋轉(zhuǎn)動力。頭架主軸被稱為C軸。力矩電機與數(shù)控系統(tǒng)相連，實現(xiàn)磨削過程中的轉(zhuǎn)速自動切換。四爪卡盤安裝面與頭架主軸軸線相互垂直，通過定位銷保證四爪卡盤的角度。頭架移動機構(gòu)位于頭架后側(cè)，安裝在工作臺直線導軌安裝面之上，通過液壓缸精確地移動頭架嚙合工件，為磨削做準備以及在磨削循環(huán)結(jié)束后退回。

（5）尾架為死頂尖結(jié)構(gòu)，通過渦輪蝸桿可對頭尾架中心連線進行調(diào)整，保工件回轉(zhuǎn)軸線與砂輪回轉(zhuǎn)軸線保持平行。尾架移動機構(gòu)位于頭架后側(cè)，安裝在工作臺直線導軌安裝面之上；通過齒輪齒條結(jié)構(gòu)粗略地長距離移動尾架以滿足磨削長短不同的工件要求；通過液壓缸精確的短距離移動尾架嚙合工件，為磨削做準備以及在磨削循環(huán)結(jié)束后退回。

（6）修整器采用修整電主軸形式，為金剛滾輪修整，安裝于工作臺上，尾架后側(cè)，在磨削循環(huán)中可以自動修整砂輪在修整過程中，砂輪架與工作臺移動實現(xiàn)聯(lián)動修整。

MK8232/SD×750數(shù)控切點跟蹤曲軸磨床是在現(xiàn)有的系列型譜的基礎上開發(fā)的新一代磨床。借鑒非圓磨削和凸輪軸磨削的方式，采用西門子曲軸隨動磨削的軟件包程序，根據(jù)隨動磨削的運動學特性，重新計算設計了導軌驅(qū)動結(jié)構(gòu)，經(jīng)前期試驗臺試驗，能很好地滿足曲軸磨削加工。

圖7 X軸隨動部件（砂輪架）有限元剛性分析圖

圖8 X軸隨動運動特性曲線圖

3.FANUC R-1000iA/100F六軸關節(jié)式機器人

FANUC R-1000iA/100F六軸關節(jié)式機器人具有包含機器人背部和機器人下方廣闊的動作領域，能夠頂?shù)醢惭b。機器人的橫向?qū)挾葴p小到了極限，所以可以貼近鄰接的機器人、夾具或者工件進行安裝。從待機位置到工作位置的具有高速移動功能以及短距離移動時的快速定位的動作特性，大大地縮短了機器人的作業(yè)時間，提高了機器人的節(jié)拍。根據(jù)實測，機器人在距離為30mm的正方體運動一周（空間6條邊）節(jié)拍為0.247秒，距離為150mm的正方體運動一周節(jié)拍為0.387秒。

圖9 FANUC R-1000iA/100F六軸關節(jié)式機器人機械結(jié)構(gòu)圖

FANUC R-1000iA/100F六軸關節(jié)式機器人有五大特性：

（1）高速運動性能：具備同級別機器人中最高的速度及負載容量；通過強化的振動控制實現(xiàn)快速的加減速。

（2）緊湊的機械結(jié)構(gòu)：焊接電纜和軟管布置在機器人手臂內(nèi)部，使用改良型手臂實現(xiàn)高密度布置，增加了單位空間和時間的生產(chǎn)能力。

（3）寬廣的運動范圍：通過優(yōu)化設計的手臂配置及手臂長度實現(xiàn)寬廣的運動范圍，能支持地面安裝和棚架安裝。

（4）最大負載容量達到100kg。

（5）維護方便。

表1 FANUC R-1000iA/100F六軸關節(jié)式機器人規(guī)格參數(shù)

FANUC R-1000iA/100F六軸關節(jié)式機器人通過安裝在基礎軸電機上的冷卻風扇，提高機器人重負荷性能，支持重負荷的應用，例如沖壓搬運和高速碼垛。該機器人還可通過可選增加隔離塵（液防護包），增強機器人對惡劣環(huán)境的抵抗力。對所有暴露在外面的電纜及管線都可添加防護蓋板。機器人外部設置防護服，對暴露在外面的螺母及墊圈采用不銹鋼材質(zhì)。機構(gòu)部主題可達IP56， J3軸手臂和腕關節(jié)部分防護等級可達IP67。

三、成果應用及推廣情況

“全自動曲軸類零件加工線”的成功制造，展現(xiàn)了以上海機床廠有限公司為代表的國內(nèi)磨床設備制造廠家，不再僅僅著眼于單獨磨床設備的制造，更多的是結(jié)合機器手、機器人等的全自動化加工生產(chǎn)線，為用戶提供生產(chǎn)線的成套設備，并為其解決提供配套服務的完整技術方案。

“全自動曲軸類零件加工線”核心技術“切點跟蹤”技術是國家重大專項《汽車發(fā)動機生產(chǎn)線用數(shù)控曲軸磨床、凸輪軸磨床》的研究成果，是對該課題進一步應用推廣的體現(xiàn)。該技術第一臺專機MK8220/SD雙砂輪架數(shù)控切點跟蹤曲軸磨床于2016年10月在上海通用浦東金橋LGE發(fā)動機生產(chǎn)基地正式并線生產(chǎn),機床精度和加工效率完全滿足了用戶的生產(chǎn)和技術要求，部分指標優(yōu)于生產(chǎn)線上的進口機床。本自動加工線將在石家莊耐力股份有限公司并線生產(chǎn)。該加工線的成功制造，標志上海機床廠有限公司已經(jīng)成為我國小型曲軸及偏心軸類零件加工設備生產(chǎn)的示范基地，形成了一批掌握了“切點跟蹤”研究開發(fā)的核心技術的研究與開發(fā)團隊隊伍。