徐帥強(qiáng) 張彥彬 周宗明 劉 波 李長(zhǎng)河

（①青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520；②漢能(青島)潤(rùn)滑科技有限公司，山東 青島 266200；③四川明日宇航工業(yè)有限責(zé)任公司，四川 什邡 618400）

汽車輪轂是車輛的重要組成部分，車輛的整體性能與其緊密相關(guān)[1]。汽車輪轂質(zhì)量的優(yōu)劣取決于汽車輪轂生產(chǎn)線的合理布置，然而現(xiàn)階段我國(guó)輪轂制造企業(yè)普遍存在自動(dòng)化程度不高的問(wèn)題。這不僅使得人工成本巨大，更造成加工過(guò)程中產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。隨著國(guó)內(nèi)外生活水平的提升以及疫情后社會(huì)生產(chǎn)的恢復(fù)，國(guó)內(nèi)輪轂制造企業(yè)訂單與日俱增。設(shè)計(jì)高效的汽車輪轂自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)高質(zhì)量輪轂產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)是大勢(shì)所趨。

本文在自動(dòng)化生產(chǎn)線中開(kāi)發(fā)了融合料架、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂和輸送輥道的上下料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線布局的密集性和產(chǎn)線功能上的可拓展性；設(shè)計(jì)了配合使用的車削內(nèi)外圓專用夾具，實(shí)現(xiàn)機(jī)床上輪轂內(nèi)外圈的連續(xù)加工，提升加工的精密性與連續(xù)性。通過(guò)車削力計(jì)算和夾緊力設(shè)計(jì)保證產(chǎn)線加工質(zhì)量的同時(shí)，驗(yàn)證了產(chǎn)線生產(chǎn)效率的提升。

1 產(chǎn)線整體方案設(shè)計(jì)

1.1 現(xiàn)有技術(shù)及其難點(diǎn)

如圖1 所示為，汽車輪轂生產(chǎn)線中進(jìn)行加工和轉(zhuǎn)運(yùn)的輪轂工件。在實(shí)際使用中，其規(guī)格主要為15～20 英寸。汽車輪轂毛坯在生產(chǎn)線中，經(jīng)過(guò)對(duì)外輪輞、胎圈座、輪輻正面、內(nèi)圓和輪輻反面進(jìn)行粗、精車削加工，以及鉆、鉸中心孔、安裝孔、氣門孔，銑輪輻風(fēng)口，最終生產(chǎn)出成品[2]。

圖1 輪轂工件

傳統(tǒng)的汽車輪轂生產(chǎn)模式中：

（1）在生產(chǎn)線布置方面：生產(chǎn)線常采用并聯(lián)式布局，各加工單元之間并行，配備各自的物料傳輸機(jī)構(gòu)。這導(dǎo)致生產(chǎn)線易形成“孤島型布局”[3]，降低生產(chǎn)線的連續(xù)性和連貫性，也給后期產(chǎn)線的拓展也帶來(lái)了不便。

（2）在加工單元布局及工序安排方面：各加工單元主要采用島式布局，即兩臺(tái)臥式車床和一臺(tái)加工中心呈品字型部署，形成一個(gè)島式的加工單元[4]。

其對(duì)應(yīng)的工序安排為，先夾持輪轂工件的一邊胎圈座，車削加工外輪輞、胎圈座、輪輻正面，再夾持輪轂工件另一邊胎圈座對(duì)剩余外輪輞、胎圈座、內(nèi)圓、輪輻反面進(jìn)行車削加工，最后再進(jìn)行中心孔、安裝孔、氣門孔以及輪輻風(fēng)口的加工[5]。

此類3 臺(tái)機(jī)床形成的島式加工單元，在加工連續(xù)性的保證上較為困難，生產(chǎn)中機(jī)床空閑時(shí)間較長(zhǎng)，影響生產(chǎn)效率；同時(shí)機(jī)加工工序安排中，工件裝夾次數(shù)較多會(huì)對(duì)工件的加工精度產(chǎn)生影響，使得加工質(zhì)量下降。

（3）在上下料系統(tǒng)方面：生產(chǎn)線中的上下料多采用人工上下料的方式；料架設(shè)計(jì)多采用層疊式料架。人工進(jìn)行的搬運(yùn)和裝夾導(dǎo)致產(chǎn)品性能不穩(wěn)定；層疊式料架則面臨著工件出現(xiàn)次品無(wú)法及時(shí)剔除的問(wèn)題。

綜上所述，汽車鋁合金輪轂生產(chǎn)中還存在上下料系統(tǒng)自動(dòng)化程度低，車間布局亟待完善；機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要合理化；加工工藝以及夾具需要更新等問(wèn)題。

1.2 生產(chǎn)線的整體設(shè)計(jì)

針對(duì)以上技術(shù)難點(diǎn)，進(jìn)行了汽車輪轂生產(chǎn)線優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體方案如下。如圖2 所示為汽車輪轂生產(chǎn)線。汽車輪轂生產(chǎn)線由轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手、料架、橫移機(jī)械臂、加工中心、雙主軸雙刀塔臥式車床和輪轂輸送輥道組成。各加工單元以串聯(lián)的形式，通過(guò)輪轂輸送輥道實(shí)現(xiàn)連接，形成串聯(lián)式的汽車輪轂生產(chǎn)線[6]。

圖2 汽車輪轂生產(chǎn)線

如圖3 所示為汽車輪轂生產(chǎn)線平面布局及動(dòng)作流程：輪轂毛坯先由轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手從料架搬運(yùn)至輸送輥道首端，根據(jù)產(chǎn)線調(diào)度指令由輸送輥道運(yùn)送到指定的加工單元。輪轂毛坯再由橫移機(jī)械臂從輸送輥道上抓取至雙主軸雙刀塔臥式車床進(jìn)行相應(yīng)的工序加工。之后橫移機(jī)械臂將輪轂工件從車床上抓取至加工中心進(jìn)行加工。輪轂完成機(jī)加工工序內(nèi)容后，由橫移機(jī)械臂將工件轉(zhuǎn)運(yùn)至輸送輥道處，輸送輥道將輪轂運(yùn)輸至尾端。最后由轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手將輪轂抓取至料架，并轉(zhuǎn)運(yùn)至倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存。

圖3 平面布局及動(dòng)作流程圖

1.3 工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)

考慮加工節(jié)拍的匹配，對(duì)應(yīng)加工單元中機(jī)床配置，對(duì)工序安排進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。工序安排如表1 所示。

表1 輪轂的加工工序

2 產(chǎn)線主要部分設(shè)計(jì)

2.1 上下料系統(tǒng)

上下料系統(tǒng)由輸送輥道，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手以及料架組成。系統(tǒng)中輸送輥道是輪轂生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)串聯(lián)式布局的基礎(chǔ)，建立起各加工單元間的聯(lián)系。

料架設(shè)計(jì)為回轉(zhuǎn)式料架，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。其中料架行走平臺(tái)承載料架保持架，料架回轉(zhuǎn)裝置以及懸掛在料架回轉(zhuǎn)裝置上的懸掛式料倉(cāng)，并由AGV 小車拖動(dòng)，從而將輪轂工件運(yùn)送至特定工作位置。本著能量消耗最少的原則，上下料系統(tǒng)中工件的抓取采用定點(diǎn)抓取的方式。其動(dòng)作過(guò)程簡(jiǎn)單、回轉(zhuǎn)空間緊湊。

圖4 料架

上料過(guò)程中，由電機(jī)減速器加鏈傳動(dòng)組成的動(dòng)力部分帶動(dòng)料架回轉(zhuǎn)裝置繞中軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手將處于抓取位置的輪轂取下后，回轉(zhuǎn)裝置回轉(zhuǎn)并帶動(dòng)懸掛式料倉(cāng)進(jìn)入抓取位置，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手可進(jìn)行下一次抓取。料架中的工件全部抓取完畢，空料架由AGV小車拖離工作位置，載滿工件的新料架再進(jìn)入。下料過(guò)程中，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手抓取輸送輥道上的工件成品，將其放置在料架內(nèi)空的懸掛式料倉(cāng)中。接著回轉(zhuǎn)裝置動(dòng)作，使空料倉(cāng)進(jìn)入放置位置。待料架裝滿后離開(kāi)工作位置，空料架再進(jìn)入位置。

2.2 機(jī)械手

汽車輪轂生產(chǎn)線中，涉及的兩種機(jī)械手分別為轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手和橫移機(jī)械臂：前者在上下料系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)抓取輪轂完成上下料的操作；后者在加工單元中，負(fù)責(zé)抓取輪轂完成輪轂在輸送輥道，雙主軸雙刀塔臥式車床和加工中心之間的轉(zhuǎn)運(yùn)。在構(gòu)成上，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手由機(jī)械手座和機(jī)械手爪兩部分組成，如圖5 所示。機(jī)械手座負(fù)責(zé)動(dòng)作功能，機(jī)械手爪負(fù)責(zé)夾持功能。安裝時(shí)固定機(jī)械手座實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手的固定。

圖5 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手

橫移機(jī)械臂由機(jī)械手座，機(jī)械手爪與電機(jī)絲杠組件3 部分組成，如圖6 所示。安裝時(shí)固定電機(jī)絲杠組件實(shí)現(xiàn)橫移機(jī)械臂的固定。橫移機(jī)械臂在空間中的動(dòng)作由機(jī)械手座實(shí)現(xiàn)X軸方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)、Y軸方向上的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)以及Z軸方向上的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，由電機(jī)絲杠組件實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在X軸方向上的橫移。

圖6 橫移機(jī)械臂

同時(shí)由于二者在抓取功能上的一致性，故采用同一種機(jī)械手爪進(jìn)行抓取。機(jī)械手爪在夾持過(guò)程中，由氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械手爪夾持部分。根據(jù)六點(diǎn)定位原理，4 組機(jī)械手爪夾持部分相互配合，限制輪轂工件在X軸方向上的移動(dòng)和在Y軸方向上的移動(dòng)，并對(duì)輪轂工件進(jìn)行夾緊，主要定位表面限制輪轂工件在Z軸方向上的移動(dòng)，在X軸方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)以及在Y軸方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手在定位的過(guò)程中進(jìn)行夾緊，完成對(duì)輪轂工件的定位夾緊。機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 機(jī)械手爪

2.3 加工單元

安裝有專用夾具的雙主軸雙刀塔臥式車床，加工中心以及橫移機(jī)械臂組成汽車輪轂生產(chǎn)線的1 個(gè)加工單元。

加工單元中雙主軸雙刀塔臥式車床同加工中心面對(duì)面布置，由二者之間的橫移機(jī)械臂進(jìn)行工件的轉(zhuǎn)運(yùn)。這樣的配置，在加工時(shí)，可以使工件裝夾的次數(shù)盡可能的少，通過(guò)機(jī)床內(nèi)部中轉(zhuǎn)臺(tái)完成工件在不同夾具上的轉(zhuǎn)移，提升了加工的精密性和可靠性[7]。如圖8 所示為，雙主軸雙刀塔臥式車床結(jié)構(gòu)圖。

圖8 臥式車床結(jié)構(gòu)圖

雙主軸雙刀塔臥式車床涉及的兩款?yuàn)A具分別為內(nèi)撐式夾具和外夾式夾具。

2.3.1 內(nèi)撐式夾具

內(nèi)撐式夾具結(jié)構(gòu)如圖9 所示。在定位夾緊過(guò)程中，由氣缸推動(dòng)內(nèi)撐式夾具卡爪沿滑道進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，內(nèi)撐式夾具卡爪接觸輪轂工件內(nèi)表面。

圖9 內(nèi)撐式夾具

2.3.2 外夾式夾具

外夾式夾具結(jié)構(gòu)如圖10 所示。在定位夾緊過(guò)程中，氣缸推動(dòng)滑動(dòng)卡頭沿卡爪上的滑槽進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，外夾式夾具卡爪繞帶螺紋銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)4組卡爪對(duì)工件的“抱緊”。

圖10 外夾式夾具

橫移機(jī)械臂上料過(guò)程中，兩組夾具的定位夾緊，皆由氣缸驅(qū)動(dòng)4 組卡爪實(shí)現(xiàn)。通過(guò)氣壓系統(tǒng)中的同步回路完成4 組卡爪的同時(shí)動(dòng)作，從而達(dá)到自定位的效果。通過(guò)氣壓回路設(shè)定溢流壓力，兩組夾具可以適應(yīng)不同尺寸的工件，達(dá)到柔性化設(shè)計(jì)的效果。

如圖11 所示為，外夾式夾具卡爪裝置運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。其自由度求解為：

圖11 夾具運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

式中：F1為夾具卡爪裝置自由度；n為活動(dòng)構(gòu)件數(shù)；PL為低副數(shù)；PH為高副數(shù)。

經(jīng)計(jì)算夾具卡爪裝置自由度為1。如圖12 所示為夾具的受力分析圖。

圖12 夾具受力分析

由受力分析可得：

式中：P為氣缸推力；F12x、F12y為支反力；FNx為工件對(duì)夾具水平方向的反作用力；FNy為夾緊力；hAC為C點(diǎn)到A點(diǎn)的垂直距離；hAB為B點(diǎn)到A點(diǎn)的垂直距離;θ為工件夾持位置與豎直方向夾角。

根據(jù)式（2）～（4）得夾緊力FNy：

以規(guī)格為20 英寸、材料牌號(hào)A365的輪轂加工為例。設(shè)定機(jī)床加工參數(shù)為:切深3 mm，轉(zhuǎn)速1 800 r/min，進(jìn)給量0.5 mm/r，切削長(zhǎng)度500 mm[8]。

刀具對(duì)工件的切削力由計(jì)算公式[8]得：

式中：CFc為由加工材料和切削條件決定的系數(shù)；vc為切削速度；KFc為修正系數(shù)。其中vc=3.14dn/1 000=3 445.46 m/min。

σb為加工材料抗拉強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)查詢公式相關(guān)參數(shù)[8]，代入式（6）和（7）得：

刀具對(duì)工件中心的切削力矩為:

式中：R為輪轂半徑,取值為254 mm。

為使工件在加工過(guò)程中，保持正確位置不發(fā)生偏移。則需要卡爪對(duì)工件產(chǎn)生的摩擦力矩大于或等于刀具對(duì)工件的切削力矩。則

式中：μ為卡爪與工件輪緣間的摩擦系數(shù)；D為摩擦力作用點(diǎn)到工件中心的距離。

根據(jù)式（5）、（8）和（9）推導(dǎo)出保證工件夾緊可靠，所需氣缸推力為：

2.3.3 潤(rùn)滑方式

加工單元中采用的潤(rùn)滑方式為微量潤(rùn)滑。機(jī)床中使用上海金兆節(jié)能科技有限公司生產(chǎn)的外掛式微量潤(rùn)滑裝置。如圖13 所示為其結(jié)構(gòu)原理圖。采用微量潤(rùn)滑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的澆注式潤(rùn)滑，既可以降低生產(chǎn)成本，又可以減少環(huán)境污染[9]。

圖13 微量潤(rùn)滑裝置

3 生產(chǎn)線生產(chǎn)效率對(duì)比

以汽車輪轂生產(chǎn)線的平均生產(chǎn)節(jié)拍為論述對(duì)象，比較兩種生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

為了方便對(duì)比，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理。Ti在兩步粗車，兩步半精車和精車工序中取粗車工序生產(chǎn)時(shí)間的平均值以及半精車和精車工序生產(chǎn)時(shí)間的平均值。忽略產(chǎn)線機(jī)床性能問(wèn)題帶來(lái)加工時(shí)間的變化。

3.1 自動(dòng)化生產(chǎn)線的平均生產(chǎn)節(jié)拍[3]

式中：ri為自動(dòng)化產(chǎn)線平均生產(chǎn)節(jié)拍；n 為加工單元數(shù)；x為機(jī)械手單次抓取工件數(shù)；為平均行走時(shí)間；ti為機(jī)械手平均上下料時(shí)間；Ti為自動(dòng)化生產(chǎn)線各工序生產(chǎn)時(shí)間。

以包含單個(gè)加工單元的自動(dòng)化生產(chǎn)線為例進(jìn)行計(jì)算。則n取值為1；x取值為1；由于使用定點(diǎn)式抓取，取值為0；ti的取值與機(jī)械手的精度以及規(guī)格有關(guān)，參照同類型生產(chǎn)線中六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人的規(guī)格，ti取值約為24 s，Ti取值約為87 s。

則根據(jù)公式（11）可得：ri=111。

隨著自動(dòng)化生產(chǎn)線中加工單元數(shù)量的提升，其生產(chǎn)節(jié)拍會(huì)進(jìn)一步降低，生產(chǎn)效率還可以得到進(jìn)一步提升。

3.2 傳統(tǒng)加工過(guò)程中平均生產(chǎn)節(jié)拍

傳統(tǒng)加工過(guò)程比自動(dòng)化生產(chǎn)線耗時(shí)更多體現(xiàn)在，各車削加工需要在兩臺(tái)車床上完成，各工序之間需要進(jìn)行重復(fù)的搬運(yùn)、拆卸和裝夾。推算傳統(tǒng)加工平均生產(chǎn)節(jié)拍:

則根據(jù)式（12）和（13）可得：

3.3 生產(chǎn)線性能的提升

以平均生產(chǎn)節(jié)拍為指標(biāo)，計(jì)算生產(chǎn)效率的提高：

表2 是以單個(gè)加工單元的自動(dòng)化生產(chǎn)線為例，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線和傳統(tǒng)加工過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

表2 自動(dòng)化生產(chǎn)線與傳統(tǒng)加工性能對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)汽車輪轂生產(chǎn)線的技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論：

（1）軸向吸盤夾持爪實(shí)現(xiàn)機(jī)械手回轉(zhuǎn)空間的縮小；定點(diǎn)式抓取配合高空間利用率的回轉(zhuǎn)式料架實(shí)現(xiàn)工件上下料動(dòng)作的簡(jiǎn)化和次品的及時(shí)剔除。串聯(lián)布局的輥道結(jié)合機(jī)械手和料架構(gòu)成生產(chǎn)線的上下料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線中工件的精準(zhǔn)高效輸運(yùn)。

（2）根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，優(yōu)化輪轂加工工藝，設(shè)計(jì)配合使用的外夾式、內(nèi)撐式夾具，保證了輪轂正反面加工的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線中工件性能的提升。

（3）通過(guò)機(jī)構(gòu)分析論述夾具定位夾緊可靠的同時(shí)，進(jìn)行車削力的計(jì)算和夾緊力的設(shè)計(jì)。驗(yàn)證了自動(dòng)化生產(chǎn)線加工質(zhì)量可以保證。

（4）采用平均生產(chǎn)節(jié)拍為效率衡量指標(biāo)，結(jié)果表明自動(dòng)化生產(chǎn)線較傳統(tǒng)加工生產(chǎn)效率提高22%以上。