柔性加工設(shè)備及軌道機(jī)器人在轉(zhuǎn)向節(jié)加工自動(dòng)線中的運(yùn)用

鄭金來，熊昌秀，丁海方，戴啟峰

(1．江蘇高精機(jī)電裝備有限公司，江蘇 鹽城　224053；2．湖北神力鍛造有限責(zé)任公司，湖北 十堰　442700)

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柔性加工設(shè)備及軌道機(jī)器人在轉(zhuǎn)向節(jié)加工自動(dòng)線中的運(yùn)用

鄭金來1，熊昌秀1，丁海方2，戴啟峰1

(1．江蘇高精機(jī)電裝備有限公司，江蘇 鹽城224053；2．湖北神力鍛造有限責(zé)任公司，湖北 十堰442700)

摘要：介紹柔性加工設(shè)備及軌道機(jī)器人在轉(zhuǎn)向節(jié)加工自動(dòng)線中的運(yùn)用，解決了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向節(jié)加工中加工周期長(zhǎng)，精度不穩(wěn)定，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低等問題。提出了在加工自動(dòng)線中增加柔性加工設(shè)備和軌道機(jī)器人。生產(chǎn)線的投產(chǎn)使用驗(yàn)證了優(yōu)化后的自動(dòng)線零件加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率顯著提高，節(jié)約了投資和運(yùn)行成本，取得了好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：柔性加工設(shè)備；軌道機(jī)器人；轉(zhuǎn)向節(jié)加工自動(dòng)線

0引言

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車的重要安全零部件，具有加工工藝內(nèi)容復(fù)雜，幾何精度和形位公差要求很高的特點(diǎn)。目前國(guó)外主要采用轉(zhuǎn)向節(jié)加工自動(dòng)線進(jìn)行加工，國(guó)內(nèi)的加工，雖然有個(gè)別企業(yè)具有較完整的加工能力，但加工設(shè)備依靠國(guó)外引進(jìn)，技術(shù)上沒有形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，大部分仍然采用傳統(tǒng)的通用機(jī)床和組合機(jī)床加工模式，加工效率較低，與國(guó)外先進(jìn)加工技術(shù)的差距很大。為此轉(zhuǎn)向節(jié)的加工必然要汲取國(guó)內(nèi)外技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，朝著加工自動(dòng)化程度高、質(zhì)量穩(wěn)定、效率高、投資節(jié)約的方向發(fā)展。

本文結(jié)合我們此前與某汽車零部件制造企業(yè)在轉(zhuǎn)向節(jié)加工項(xiàng)目上的合作，在傳統(tǒng)組合機(jī)床的柔性化、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的物流、工件的裝卸等方面，應(yīng)用新工藝和控制手段，做了大量的有益嘗試，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向節(jié)機(jī)加工藝流程及設(shè)備配置

零件簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1　零件簡(jiǎn)圖

生產(chǎn)線要求：三班制，年工作日250天，生產(chǎn)綱領(lǐng)：90000件/年，加工節(jié)拍：3.5分/件。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向節(jié)機(jī)加工工藝流程及設(shè)備配置如表1所示。

表1　設(shè)備配置表

2機(jī)床優(yōu)化后的設(shè)備配置

通過對(duì)零件的分析認(rèn)為叉部精加工是轉(zhuǎn)向節(jié)加工的難點(diǎn)，要保證主銷孔的尺寸精度、同軸度，以及主銷孔與內(nèi)端面的垂直度，上述的工藝流程和設(shè)備配置難于達(dá)到要求。因此我們對(duì)機(jī)床進(jìn)行了優(yōu)化：

將表1中的OP90～OP110集中在一臺(tái)機(jī)床上完成，這樣工件一次裝夾，完成叉部的精加工，相關(guān)精度即可保證。機(jī)床型式定為加工中心單元，刀庫自動(dòng)換刀。

這臺(tái)設(shè)備加工內(nèi)容多，精度要求高，特別是主銷孔的精加工和φ315、R4內(nèi)端面的精銑是這臺(tái)專機(jī)的重點(diǎn)和難點(diǎn)：

(1)主銷孔直徑是58mm，7級(jí)孔，長(zhǎng)度255.5mm，長(zhǎng)徑比4.4倍，孔的深度很長(zhǎng)，普通鏜刀容易震動(dòng)，加工精度無法達(dá)到圖紙要求，通過選擇不同廠家的刀具多次實(shí)驗(yàn)，確定主銷孔精鏜刀具采用山特維克減振鏜桿單元。

(2)精銑φ315、R4內(nèi)端面的刀具若采用標(biāo)準(zhǔn)刀桿與φ315兩面刃組合刀具，則有兩個(gè)難題：一是φ315因直徑大，重量大于刀庫的承重，無法放進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)刀庫，需做一專用刀架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。無疑增加了機(jī)床的難度，使機(jī)床制造和操作變得復(fù)雜；二是大刀盤銑削，機(jī)床易震動(dòng)。通過對(duì)方案設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化，確定采用小刀盤，改為插補(bǔ)銑。通過計(jì)算，刀具的重量為23kg，滿足刀庫的使用要求，也能滿足零件的加工要求。

由于加工節(jié)拍很快，我們制訂了以下方案：叉部精加工采用兩臺(tái)機(jī)床，每臺(tái)機(jī)床一次加工兩件，采用雙頭立加型式，雙主軸分別為兩個(gè)數(shù)控三坐標(biāo)加工單元，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z向運(yùn)動(dòng)。雙第四軸，液壓夾具安裝在第四軸上。

3自動(dòng)物流線設(shè)備

機(jī)床方案確定后，雖然機(jī)床加工效率和加工精度可以有效保證，但工件輸送和上下料方式制約機(jī)床效率和零件精度穩(wěn)定性：生產(chǎn)線需人員54人，不僅要投入大量人力，而且因該零件的重量為33kg，加工節(jié)拍快，人工上下料會(huì)使現(xiàn)場(chǎng)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度很高，特別是表2中的OP90序，勢(shì)必影響機(jī)床的效率和工件的裝夾精度。為了解決了這一難題，我們?cè)谏a(chǎn)線中布置三臺(tái)軌道機(jī)器人替代人工操作：一臺(tái)控制OP10~OP40序，一臺(tái)控制OP50~OP80序，一臺(tái)控制OP90~OP100序。生產(chǎn)線布置如圖2。

生產(chǎn)線每班由兩名工人操作， OP10由人工上下料，下料時(shí)將工件放在料架上，第一臺(tái)機(jī)器人負(fù)責(zé)OP10~OP40序設(shè)備的上下料，第二臺(tái)機(jī)器人負(fù)責(zé)OP50~OP80序的上下料，第三臺(tái)機(jī)器人負(fù)責(zé)OP90~OP100序的上下料，并將工件放至OP110設(shè)備的自動(dòng)上料滾道上，一人在OP110下料架處下料；3名維護(hù)人員，共15人。

作為自動(dòng)物流線的核心零部件，機(jī)器人型號(hào)的選擇主要從三個(gè)方面來進(jìn)行考慮和驗(yàn)證：機(jī)器人的負(fù)載能力的選擇、機(jī)器人動(dòng)作范圍的選擇和機(jī)器人運(yùn)行精度的選擇。

(1)機(jī)器人負(fù)載能力的確定：

W—需要的負(fù)載(kg)；

W1—零件重量(kg)W1=33 kg；

W2—手爪重量(kg) 一般取零件重量的2倍W2=66 kg；

K—安全系數(shù)按設(shè)計(jì)手冊(cè)普通要求，安全系數(shù)取1.1～1.2倍；

由公式

W = ( W1×2 + W2 )×K=

(33×2 +66 )×1.2=158.4kg

根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，對(duì)比各個(gè)機(jī)器人制造廠家的型號(hào)規(guī)格和負(fù)載的范圍，選取負(fù)載165kg規(guī)格的產(chǎn)品。

(2)在機(jī)器人動(dòng)作范圍和運(yùn)行精度的選擇過程中，需要對(duì)機(jī)器人輸送工件到極限位置所能達(dá)到的精度進(jìn)行檢測(cè)和確認(rèn)，因?yàn)檫@直接涉及到機(jī)器人與機(jī)床夾具的定位銷軸進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)接。因?qū)ψ詣?dòng)物流線機(jī)器人本身的定位精度和機(jī)器人導(dǎo)軌的運(yùn)行精度要求非常高，所以在整個(gè)設(shè)計(jì)初期，采用模擬的方法進(jìn)行了初步驗(yàn)證(如圖3)，將選擇后的機(jī)器人反復(fù)模擬成各種工作狀態(tài)下的姿態(tài)，進(jìn)行模擬的動(dòng)作分析，便于查找出存在的問題?，F(xiàn)場(chǎng)先采用一臺(tái)機(jī)器人反復(fù)進(jìn)行上下料驗(yàn)證，不斷優(yōu)化機(jī)器人動(dòng)作、路徑，以少運(yùn)動(dòng)時(shí)間，減小誤差和失誤，確認(rèn)其工作的準(zhǔn)確性和精度。同時(shí)為避免機(jī)器人之間的碰撞以及合理搭配運(yùn)動(dòng)節(jié)拍，相鄰兩臺(tái)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑需要互鎖控制，保證在兩臺(tái)機(jī)器人

圖2　生產(chǎn)線布置圖

圖3　關(guān)節(jié)機(jī)器人雙抓手系統(tǒng)

共同工作的區(qū)域，只有在一機(jī)器人離開該區(qū)域時(shí)，另一臺(tái)才會(huì)進(jìn)入該區(qū)工作。

我們選用關(guān)節(jié)機(jī)器人，雙抓手系統(tǒng)，如圖3所示。機(jī)器人裝上為工件定制的專用手爪，一只抓手抓取待加工件，另一只抓取已加工件，在與機(jī)床進(jìn)行通訊得到上料請(qǐng)求后，完成機(jī)床的上下料。機(jī)器人在軌道上的最大移動(dòng)速度1m/s，裝卸料時(shí)間20s。

生產(chǎn)線系統(tǒng)控制設(shè)備采用FANUC數(shù)控系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備與自動(dòng)物流輸送線系統(tǒng)之間的相互通訊，確保自動(dòng)物流輸送線的安全有效的運(yùn)行，在設(shè)備系統(tǒng)中增加profibus總線通訊接口與自動(dòng)物流輸送線系統(tǒng)相連接。

采用軌道機(jī)器人，資金投入增加150萬元，節(jié)省人員39人，年節(jié)省工資支出：5萬元×39人=195萬元。

目前，該生產(chǎn)線已正常使用，零件加工精度、加工節(jié)拍均達(dá)到要求。

4結(jié)論

本文主要是對(duì)傳統(tǒng)工藝的改進(jìn)，在保持組合機(jī)床剛性、強(qiáng)度的基礎(chǔ)上機(jī)床實(shí)現(xiàn)數(shù)控柔性化，軌道機(jī)器人的使用，將生產(chǎn)流水線變成了自動(dòng)生產(chǎn)線，在專用機(jī)床的運(yùn)用及性能拓展方面具有借鑒意義。

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(編輯李秀敏)

The Application of Flexible Machining Equipment and Robo-rail in Knuckle Machining Automatic Line

ZHENG Jin-lai1,XIONG Chang-xiu1,DING Hai-fang2,DAI Qi-feng1

(1.Jiangsu Gaojing Mechanical & Electrical Co., Ltd, Yancheng Jiangsu 224053,China; 2. Hubei Shenli Forging Co.,Ltd, Shiyan Hubei 442700,China)

Abstract：Present application of flexible machining equipment and Robo-rail in knuckle machining automatic line, which is a solution for traditional knuckle processing problem such as long processing cycle, unstable precision, labor intensity, low production efficiency. Come up with adding flexible machining equipment and Robo-rail in knuckle machining automatic line. Optimized automatic line parts can produce stable quality parts, improve production efficiency significantly, save investment and operation cost, make good economic benefits, which has been verified by use of production line.

Key words：flexible machining equipment;robo-rail;knuckle machining automatic line

中圖分類號(hào)：TH165;TG659

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：鄭金來(1967—)，男，江蘇鹽城人，江蘇高精機(jī)電裝備有限公司高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造工藝及設(shè)備，(E-mail)gjzb-zjl@vip.163.com。

收稿日期：2015-11-20；修回日期：2015-01-25

文章編號(hào)：1001-2265(2016)03-0148-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.041