高錦南，程 俊，陳顯東

(1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430050;2.廣州凱恩帝數(shù)控技術(shù)有限公司,廣東廣州 510500;3.上海潤(rùn)品科技有限公司，上海 201906))

隨著“中國(guó)制造2025”的提出,集通信技術(shù)、電氣控制、工業(yè)機(jī)器人、精密檢測(cè)和數(shù)控技術(shù)于一體的智能制造技術(shù)已成為中國(guó)制造業(yè)領(lǐng)域優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)，我國(guó)也面臨新一輪產(chǎn)業(yè)革命的機(jī)遇期，黨的十九大明確提出加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。在機(jī)器人伺服電機(jī)及減速機(jī)傳動(dòng)零部件加工中，加工難度最大的當(dāng)屬減速機(jī)的齒圈，需要較高精度才能符合減速機(jī)裝配使用和生產(chǎn)要求。機(jī)械加工企業(yè)業(yè)對(duì)于加工要求的不斷提高，以及人工成本的不斷提升，企業(yè)生產(chǎn)加工智能化升級(jí)改造勢(shì)在必行。本文筆者將詳細(xì)介紹智能制造生產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)整個(gè)過(guò)程。

1 智能制造概述

1.1 智能制造

智能制造(Intelligent Manufacturing，IM)是在先進(jìn)制造技術(shù)與信息通信技術(shù)融合的基礎(chǔ)上，始終貫穿于生產(chǎn)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，并能夠自感知、自決策、自適應(yīng)的新型生產(chǎn)方式[1]。它能創(chuàng)造出人與智能設(shè)備共事的環(huán)境，并逐步取代專(zhuān)家在生產(chǎn)制造過(guò)程中的部分腦力勞動(dòng)，將制造自動(dòng)化提升到柔性化、智能化和高度集成化。

在智能制造普及深入的未來(lái)，智能制造應(yīng)用的領(lǐng)域?qū)⒅饾u廣泛，會(huì)不斷推出新型的智能產(chǎn)品、智能裝備、智能產(chǎn)線(xiàn)和智能工廠(chǎng)等，再配合逐步全面的物聯(lián)網(wǎng)體系形成智能服務(wù)解決方案，讓解決供求關(guān)系的方式更具智能化，最終實(shí)現(xiàn)智能服務(wù)生活。

1.2 智能工廠(chǎng)

智能工廠(chǎng)是智能制造發(fā)展過(guò)程中的一大產(chǎn)物，智能工廠(chǎng)是由自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)、先進(jìn)數(shù)控設(shè)備、精密檢測(cè)儀器、工業(yè)機(jī)器和信息系統(tǒng)組成。將生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、透明化、可視化和精益化，同時(shí)與產(chǎn)品檢測(cè)、質(zhì)量檢驗(yàn)和分析、生產(chǎn)物流形成閉環(huán)控制集成。有的離散制造企業(yè)則專(zhuān)門(mén)成立一個(gè)生產(chǎn)指揮中心，多個(gè)區(qū)域需要信息共享、協(xié)同研發(fā)、智能生產(chǎn)、精準(zhǔn)物流和智能服務(wù)。這些功能的實(shí)現(xiàn)需要強(qiáng)大的信息系統(tǒng)為支撐。信息系統(tǒng)自下而上主要由控制層級(jí)的PLC、SCADA、DCS、FCS等，和車(chē)間層級(jí)的制造管理系統(tǒng)(MES)，還有企業(yè)層級(jí)的ERP、PLM、SCM和CRM所組成[2]，信息系統(tǒng)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)進(jìn)行分析、指揮和調(diào)度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，減少企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，將生產(chǎn)效益提高到最大化。

智能產(chǎn)線(xiàn)是智能工廠(chǎng)的重要組成部分，許多企業(yè)的技術(shù)改造重點(diǎn)就是智能產(chǎn)線(xiàn)，將企業(yè)大批量的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，文中的智能產(chǎn)線(xiàn)就是以加工減速機(jī)單級(jí)齒圈為載體的智能生產(chǎn)線(xiàn)。

2 智能制造生產(chǎn)線(xiàn)的構(gòu)建

2.1 設(shè)備的構(gòu)建

要建設(shè)以自感知、自決策、自適應(yīng)為目標(biāo)的柔性制造生產(chǎn)線(xiàn)，需要具有一定程度智能化的設(shè)備、信息集成化、智能化設(shè)計(jì)和無(wú)人化工藝設(shè)計(jì)。

(1) 具有一定程度的智能化設(shè)備。利用智能設(shè)備的功能優(yōu)勢(shì)，從而保證加工的一致性并提高加工質(zhì)量，減少對(duì)人工操作技能的要求，實(shí)現(xiàn)零件在產(chǎn)線(xiàn)上的高效加工與運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。

(2) 信息集成化。不同類(lèi)型的源數(shù)據(jù)按照定義的接口規(guī)范進(jìn)行處理集合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)周期中的設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)環(huán)境和故障匹配識(shí)別，并集成日志、權(quán)限管理、性能監(jiān)測(cè)等功能[4]。

(3) 智能化設(shè)計(jì)。根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)流程與運(yùn)營(yíng)模式，組建定制化生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)，提高設(shè)備使用率縮短生產(chǎn)周期，降低運(yùn)營(yíng)成本。

(4) 無(wú)人化工藝設(shè)計(jì)。無(wú)人化工藝設(shè)計(jì)是為了避免加工過(guò)程中需要人為干涉加工環(huán)境，以及優(yōu)化加工工藝減少產(chǎn)品的加工時(shí)長(zhǎng)和定位次數(shù)。

2.2 齒圈產(chǎn)品特性分析

減速機(jī)單級(jí)齒圈CAD圖如圖1所示，材料毛坯是一塊環(huán)形鑄件，外圓尺寸φ132mm、內(nèi)圓尺寸φ78mm、厚度尺寸43.8mm。圖中產(chǎn)品主要加工部分有六個(gè)：

圖1 減速機(jī)單級(jí)齒圈CAD圖

減速機(jī)單級(jí)齒圈CAD圖如圖1所示，材料毛坯是一塊環(huán)形鑄件，外圓尺寸φ132mm、內(nèi)圓尺寸φ78mm、厚度尺寸43.8mm。圖中產(chǎn)品主要加工部分有六個(gè)：

產(chǎn)品材料選用的是42CrMoA模具鋼，由于產(chǎn)品內(nèi)壁需要與減速機(jī)的斜齒進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)接觸，所以該材料硬度經(jīng)過(guò)調(diào)制處理，硬度達(dá)到布氏硬度HB250-280(在一定條件下，HB與HRC可以換算。公式可大致記為：1HRC≈1/10HB，洛氏硬度約為25～28度，韌性較強(qiáng))，根據(jù)材料切削特性需采用達(dá)到材料硬度切削條件的涂層刀具，并且針對(duì)工件夾持方式的自動(dòng)化夾具，都需要遵循產(chǎn)品的材料特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，方可避免加工過(guò)程中的不穩(wěn)定因素。

2.3 齒圈生產(chǎn)自動(dòng)化工藝設(shè)計(jì)

2.4 設(shè)備分布設(shè)計(jì)

智能產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)備分布需要根據(jù)生產(chǎn)工藝，以縮短生產(chǎn)周期、提高設(shè)備使用頻率和方便設(shè)備間轉(zhuǎn)換工序?yàn)樵O(shè)計(jì)方向進(jìn)行合理擺放。

減速機(jī)齒圈智能產(chǎn)線(xiàn)的排布如圖2所示，采用的智能設(shè)備有一臺(tái)FANUC R-2000iC/165F機(jī)器人，一臺(tái)西門(mén)子s7-1200型號(hào)PLC，一臺(tái)攜帶FANUC Series Oi Mate-TD系統(tǒng)的車(chē)削中心，一臺(tái)攜帶FANUC Oi MF系統(tǒng)的四軸加工中心，一臺(tái)攜帶FANUC Oi MF的三軸加工中心，一臺(tái)自帶通訊接口的三坐標(biāo)和攜帶RFID的智能立體倉(cāng)庫(kù)。設(shè)備之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成，并且用設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)流架構(gòu)連接每臺(tái)設(shè)備的接口使生產(chǎn)智能化，由MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效協(xié)調(diào)工作，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)反饋到MES系統(tǒng)上。

圖2 減速機(jī)單級(jí)齒圈智能生產(chǎn)線(xiàn)規(guī)劃圖及實(shí)物圖

3 齒圈生產(chǎn)自動(dòng)化夾具方案

3.1 機(jī)械手夾具方案

從產(chǎn)品外形分析可以看出，工件的外圓(φ130)經(jīng)過(guò)第一道工序車(chē)加工后就未發(fā)生變化，且產(chǎn)品毛坯外形與實(shí)際加工尺寸范圍波動(dòng)不大，可通過(guò)設(shè)計(jì)夾具的裝夾活動(dòng)范圍來(lái)解決夾持問(wèn)題。根據(jù)公共尺寸完成外形加工后的間距設(shè)計(jì)出夾具的接觸輪廓。機(jī)器人夾具CAD圖如圖3所示。

圖3 機(jī)器人夾具

3.2 機(jī)床夾具方案

工序一：

設(shè)備：斜床身數(shù)控車(chē)削中心。

工裝夾具：對(duì)液壓卡盤(pán)的卡爪進(jìn)行精鏜處理后搭配改裝后的尾座進(jìn)行配合裝夾。

裝夾方法：如圖4所示，機(jī)械手抓取工件放入手指夾具，貼緊一級(jí)臺(tái)階，尾座頂入，三爪卡盤(pán)鎖緊后，尾座抽離。

圖4 零件裝夾示意圖

工序二：

設(shè)備：四軸加工中心。

工裝夾具：內(nèi)脹夾具。

裝夾方法：如圖5所示，由機(jī)械手夾取完成車(chē)削加工后的零件放至四軸加工中心未鎖緊狀態(tài)下的內(nèi)脹夾具中，再由外部信號(hào)控制夾具鎖緊完成裝夾。(設(shè)計(jì)時(shí)夾具底部的裝夾避空范圍，是防止切削干涉)

圖5 四軸加工中心裝夾示意圖

工序三：

設(shè)備：三軸加工中心。

工裝夾具：零點(diǎn)定位夾具。

裝夾方法：如圖6所示，由機(jī)械手將完成四軸加工的零件送至三軸加工中心未鎖緊狀態(tài)下的磁盤(pán)夾具中，依靠經(jīng)過(guò)四軸銑削后的零件外形進(jìn)行初次定位，定位完成后，磁盤(pán)充磁，通過(guò)斜度定位塊完成最終定位。

圖6 三軸加工中心裝夾示意圖

4 齒圈智能生產(chǎn)化工藝可行性驗(yàn)證

智能產(chǎn)線(xiàn)的構(gòu)建過(guò)程，不但要從加工產(chǎn)品的精度方面考慮，還要從簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝、科學(xué)調(diào)度和柔性制造系統(tǒng)等方面考慮。再配備輔助生產(chǎn)的非標(biāo)設(shè)備，充分發(fā)揮智能設(shè)備的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，高效協(xié)調(diào)作業(yè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的批量工作，提高生產(chǎn)效率。

本文介紹的智能產(chǎn)線(xiàn)是針對(duì)減速機(jī)單級(jí)齒圈的批量生產(chǎn)，通過(guò)產(chǎn)線(xiàn)對(duì)無(wú)人化生產(chǎn)工藝進(jìn)行可行性驗(yàn)證，且最終送至精密檢測(cè)儀進(jìn)行精度檢測(cè)，無(wú)人生產(chǎn)流程如圖7所示。

圖7 無(wú)人生產(chǎn)流程圖

通過(guò)MES系統(tǒng)創(chuàng)建工藝任務(wù)流程，并下派任務(wù)；任務(wù)下派后機(jī)器人與智能設(shè)備按照無(wú)人工藝流程進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，等待所有加工任務(wù)完成后執(zhí)行清洗任務(wù)，最后去往檢測(cè)單元進(jìn)行精度檢查，根據(jù)得出的檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)告決定產(chǎn)品的分類(lèi)。如圖8所示，產(chǎn)品三坐標(biāo)檢測(cè)報(bào)告上顯示數(shù)據(jù)合格，驗(yàn)證無(wú)人化工藝可以滿(mǎn)足生產(chǎn)精度要求。

圖8 產(chǎn)品三坐標(biāo)檢測(cè)報(bào)告

5 結(jié) 語(yǔ)

動(dòng)化生產(chǎn)與通信技術(shù)的結(jié)合使得智能制造領(lǐng)域研究已不再是一味大批量地機(jī)器人替換人類(lèi)機(jī)械性的工作，而是以柔性化生產(chǎn)設(shè)計(jì)為指導(dǎo)思想，以降低風(fēng)險(xiǎn)和提高產(chǎn)能為核心。在適合的環(huán)節(jié)引入工業(yè)機(jī)器人，開(kāi)發(fā)自動(dòng)化夾具，設(shè)計(jì)合理的無(wú)人化工藝，并且優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性，提高機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)協(xié)調(diào)作業(yè)的能力，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)配合信息系統(tǒng)的深入研發(fā)，進(jìn)而讓智能制造更具智能化、柔性化和自動(dòng)化。