左右曲柄自動(dòng)加工生產(chǎn)線的研制*

陳 濤

(大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，遼寧 大連 116620)

左右曲柄自動(dòng)加工生產(chǎn)線的研制*

陳 濤

(大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，遼寧 大連 116620)

文章介紹了左右曲柄自動(dòng)加工生產(chǎn)線的開發(fā)與研制。首先簡(jiǎn)述了曲柄制造行業(yè)國內(nèi)外現(xiàn)狀，其次分析了曲柄工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工工藝，介紹了自動(dòng)線組成、實(shí)施原則、關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)，最后將國內(nèi)外曲柄加工生產(chǎn)線技術(shù)水平進(jìn)行了對(duì)比。通過用戶的正常使用，證明了該生產(chǎn)線可靠性和先進(jìn)性，對(duì)我國智能化生產(chǎn)線的研制具有重大意義。

曲柄加工；自動(dòng)化；生產(chǎn)線

0 引言

隨著我國汽車、紡織機(jī)械、石化機(jī)械、起重機(jī)械、風(fēng)機(jī)、港口、船舶、鐵路機(jī)車等行業(yè)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄配套件需求快速增長，我國已成長為曲柄制造大國，但國內(nèi)曲柄企業(yè)依然在技術(shù)、產(chǎn)品、管理等方面與國外知名曲柄企業(yè)相比存在不小差距，究其原因是多方面的，其中最主要的問題體現(xiàn)在工藝水平、裝備水平落后[1]。為此國內(nèi)一些企業(yè)先后引進(jìn)了五十鈴輕型、重型車系列傳動(dòng)軸、德國奔馳重型車、斯太爾重型車傳動(dòng)軸等技術(shù)，日本小松公司、美國卡特彼勒公司、德國DIN5480標(biāo)準(zhǔn)、日本川崎公司等先進(jìn)技術(shù)，通過消化吸收，使產(chǎn)品檔次、工藝水平得到較大提高。然而曲柄加工設(shè)備依然采用普通機(jī)床，一人一機(jī)的流水線生產(chǎn)方式，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，車間環(huán)境差，加工質(zhì)量穩(wěn)定性不高，因而提高國內(nèi)曲柄制造業(yè)裝備水平，已成為我國機(jī)床行業(yè)和曲柄制造行業(yè)亟待解決的問題。

左右曲柄自動(dòng)加工生產(chǎn)線，采用生產(chǎn)線信息采集、分析、反饋，集成控制，冷、熱加工共線等技術(shù)，改變目前曲柄加工中單機(jī)、開環(huán)加工的現(xiàn)狀，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善車間環(huán)境，提高加工質(zhì)量穩(wěn)定性，填補(bǔ)了國內(nèi)曲柄加工行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線空白。

1 項(xiàng)目概況

1.1 曲柄工件

被加工零件為KTT、KVX系列左、右曲柄，產(chǎn)品外形如圖1、圖2所示。鍛造毛柸件，材料為40Cr，調(diào)質(zhì)硬度HRC 17～25。主要組成結(jié)構(gòu)有兩端面、內(nèi)扇面、曲柄銷孔、桿身軸頸、半圓鍵槽、外螺紋、外花鍵。

關(guān)鍵工序加工精度：曲柄銷孔，孔徑公差[2]0.017 mm，粗糙度Ry10，圓度0.01 mm，圓柱度0.02 mm，與曲柄兩端中心孔連線平行度0.04/100。

圖1 右曲柄成品

圖2 左曲柄成品

1.2 工藝分析

自動(dòng)線加工工藝(冷、熱加工共線)

銑小頭端面、打兩端面中心孔→粗車、半精車和精車桿身軸頸、內(nèi)扇面→搓花鍵、搓螺紋(左曲柄僅滾螺紋)→鉆深油孔(僅右曲柄)→局部高頻淬火、回火→鉆曲柄孔、鉆斜油孔(僅右曲柄)→鍵槽口端銑扁、銑半圓鍵槽→粗、精磨桿身軸頸、內(nèi)扇面→精車小平面、鏜曲柄銷孔。

自動(dòng)線加工工藝遵循高精、高效的設(shè)計(jì)理念，首創(chuàng)從曲柄毛坯上線到成品下線制造模式，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低工序間中轉(zhuǎn)成本。

1.3 生產(chǎn)線組成

左右曲柄自動(dòng)加工生產(chǎn)線由兩條自動(dòng)線組成，一條用于右曲柄加工，型號(hào)為DKX095，另一條用于左曲柄加工，型號(hào)為DKX096，平面布置為直線排列，占地面積為60m(長)×17m(寬)×5.5m(高)，具體形式如圖3所示。生產(chǎn)線采用了工業(yè)視覺機(jī)器人、敏捷桁架機(jī)械手、高效冷搓加工、在線熱處理、高壓斷屑、工件自動(dòng)清理、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)排屑、單元全防護(hù)、油霧過濾等技術(shù)。

圖3 左右曲柄自動(dòng)加工生產(chǎn)線構(gòu)成圖

序號(hào)項(xiàng)目目標(biāo)值1設(shè)計(jì)產(chǎn)能1500件/班2生產(chǎn)節(jié)拍35s/件3工序能力指數(shù)[3]Cpk≥1.334用人數(shù)量整線5～6人/班

生產(chǎn)線實(shí)施的總體原則

①機(jī)床性能：穩(wěn)定可靠、故障率低；

②機(jī)床精度：精度穩(wěn)定，工序能力指數(shù)Cpk≥1.33；

③刀具選擇：優(yōu)先考慮刀具壽命，其次考慮性價(jià)比；

④制造工藝：實(shí)現(xiàn)被加工件從毛坯到成品在線一次完成；

⑤物流形式：穩(wěn)定可靠、維護(hù)方便、考慮自動(dòng)料倉、桁架機(jī)械手、機(jī)器人等多種形式相結(jié)合；

⑥智能制造：滿足工廠自動(dòng)化控制、信息化管理的要求，實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí)；

⑦生產(chǎn)管理：顯著改善生產(chǎn)環(huán)境、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、降低企業(yè)用工成本。

2 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 車削高壓冷卻斷屑

刀桿和刀片選擇特殊產(chǎn)品，通過機(jī)床的高壓泵打出的高壓冷卻液對(duì)鐵屑噴打，使鐵屑折斷，達(dá)到斷屑的目的[4]，見圖4。

圖4 高壓冷卻斷屑形式

2.2 工業(yè)視覺機(jī)器人自動(dòng)調(diào)整工件姿態(tài)

由于熱處理、冷搓加工工序需要工件自由旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致工件的角向位置隨機(jī)，而鉆孔、鏜孔等工序又需要工件位置固定，為解決這一難題，應(yīng)用了機(jī)器人平面視覺[5]自動(dòng)調(diào)整工件姿態(tài)到指定位置。

2.3 在線測(cè)量、動(dòng)態(tài)綜合補(bǔ)償技術(shù)

關(guān)鍵工序?qū)崿F(xiàn)了隨機(jī)抽檢、連續(xù)抽檢、間隔抽檢等的動(dòng)態(tài)綜合補(bǔ)償技術(shù)，借鑒國內(nèi)外先進(jìn)補(bǔ)償技術(shù)，采用高精度檢測(cè)設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)反饋對(duì)加工工件的品質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管和優(yōu)化處理。自動(dòng)線的實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤、不丟幀，尤其針對(duì)自動(dòng)線內(nèi)含有熱處理工序等的干擾處理，雙向“握手”，對(duì)于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的部分會(huì)準(zhǔn)確做出優(yōu)先級(jí)別的自適應(yīng)判斷，確保補(bǔ)償在實(shí)時(shí)加工中的可靠性。

動(dòng)態(tài)補(bǔ)償相較于靜態(tài)補(bǔ)償，更具時(shí)效性，既節(jié)省人力成本，又可達(dá)到自動(dòng)線復(fù)雜運(yùn)行的連貫性，檢測(cè)結(jié)果可以直接反饋給相關(guān)設(shè)備進(jìn)行合理處置，保證后續(xù)加工的穩(wěn)定性，提升合格率。自動(dòng)線內(nèi)配備的測(cè)量?jī)x器精度可以達(dá)到0.1μm，桁架機(jī)械手取放料重復(fù)定位精度可以達(dá)到0.5 mm，伺服驅(qū)動(dòng)可以將誤差降至最低，滿足產(chǎn)品精度的需求，操作者也可以通過HMI界面對(duì)每次抽檢的差異性進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性的判別，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，做出相應(yīng)的維護(hù)預(yù)警。

(1)測(cè)量原理

2011-2015年，臺(tái)灣對(duì)大陸林產(chǎn)品的貿(mào)易量中，較大的產(chǎn)品主要是木材及其制品，而竹和其他林產(chǎn)品的貿(mào)易量基本不變且數(shù)量較少，均在5000噸以內(nèi)；前三年，木材及其制品、竹和其他林產(chǎn)品對(duì)大陸的貿(mào)易量均增加，而2014和2015年這三者的貿(mào)易量均有不同程度的減少(見圖8)。

測(cè)量前對(duì)工件測(cè)量部位進(jìn)行吹氣清潔。采用電感測(cè)頭對(duì)工件桿身直徑、跳動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果反饋給加工設(shè)備。

(2)測(cè)量精度

傳感器分辨率：0.0001mm，重復(fù)精度：0.0002mm/30次；

設(shè)備直徑測(cè)量重復(fù)精度：0.002mm/30次(同一標(biāo)準(zhǔn)件定點(diǎn)測(cè)量30次的偏差值)；

設(shè)備跳動(dòng)測(cè)量重復(fù)精度：0.003mm/30次。

(3)測(cè)量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與傳輸

通過Profibus[6]方式和生產(chǎn)線總線通信，反饋各動(dòng)作位置信號(hào)，外徑測(cè)量數(shù)值及跳動(dòng)OK/NG信號(hào)，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

2.4 油霧收集、過濾

整線設(shè)備均帶有油霧收集、過濾裝置，極大的改善車間環(huán)境，徹底改變了傳統(tǒng)機(jī)加工車間臟亂差的現(xiàn)象，營造綠色制造的產(chǎn)業(yè)氛圍。

2.5 多種工藝方法，冷、熱加工共線

零件從毛坯上線直到成品下線，依次經(jīng)過鉆、銑、車、冷搓、淬火、磨削、鏜削等典型冷、熱加工工序，全部工序在線一次完成。

2.6 多種物流輸送形式

整線物流涵蓋移動(dòng)料倉、旋轉(zhuǎn)料倉、固定料臺(tái)、敏捷桁架機(jī)械手[8]、工業(yè)機(jī)器人(含視覺機(jī)器人)等多種物流輸送形式。

2.7 總線控制方式

該線采用國際流行的總線控制技術(shù)，該技術(shù)很好的處理了單機(jī)設(shè)備與總線的信號(hào)通信，是一個(gè)全數(shù)字化、全開放和可互操作的生產(chǎn)過程自動(dòng)控制系統(tǒng)。具有高的精確性、組織簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)安裝方便、易于維護(hù)和擴(kuò)展，可以節(jié)約軟硬件投資等的特點(diǎn)，已成為當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

電氣部分采用雙向三級(jí)網(wǎng)絡(luò)通訊，最終并入MES網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)最終用戶全域的生產(chǎn)信息化管理。自動(dòng)線自身的第一級(jí)網(wǎng)絡(luò)是總控與各從屬單元之間的通訊，采用Profibus DP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)映射的總線模式，Master主站部分的控制處理系統(tǒng)采用的是單路徑多主程序同時(shí)運(yùn)行的執(zhí)行機(jī)制，屬于國內(nèi)首次應(yīng)用，相較于多路徑、多通道系統(tǒng)，此類應(yīng)用更具技術(shù)優(yōu)勢(shì)，它交換數(shù)據(jù)時(shí)的并行處理更簡(jiǎn)潔直觀、處理器信息交換速度更快，性價(jià)比更優(yōu)，Slave從站部分包括機(jī)器人制造島、量?jī)x、各加工單元、輸送輔機(jī)等。第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)是銜接基層PLC和總線網(wǎng)絡(luò)之間的中間環(huán)節(jié)，譬如機(jī)器人制造島，其機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了既做主站又做從站的目的，鑒于機(jī)器人背景程序的運(yùn)行機(jī)制有別于數(shù)控系統(tǒng)的開機(jī)實(shí)時(shí)掃描，可以通過自動(dòng)線遠(yuǎn)程主站直接操控，避免了人工干預(yù)，增加了時(shí)效性。第三級(jí)網(wǎng)絡(luò)是生產(chǎn)執(zhí)行層的信息數(shù)據(jù)通過輸入輸出模塊的處理完成信息收集、分析和指令加工的過程，采用了多種型號(hào)的PLC處理器，方便各類設(shè)備基本維持原狀，以方便大規(guī)模、全方位的集成和模塊化，令復(fù)雜的控制更加靈活、更加通用。

3 技術(shù)水平分析

(1) 國外現(xiàn)狀

據(jù)曲柄制造企業(yè)去國外調(diào)研后介紹，在國外還沒有一條曲柄加工從毛坯上線到成品清洗后下線完整的柔性加工生產(chǎn)線。大多采用由高速、高精數(shù)控車床及精密磨床、高效加工中心等組成的柔性制造島，熱處理工序離線單獨(dú)作業(yè)，成品清洗后人工抽檢。

(2) 國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)曲柄加工行業(yè)基本是采用單機(jī)流水線作業(yè)，工序多達(dá)13～16道，24～27臺(tái)主機(jī)，按二班制需配備操作、維修、管理人員50余人，大多采用臺(tái)鉆、數(shù)控車床、專用銑床等自動(dòng)化水平較低的裝備，人工勞動(dòng)強(qiáng)度高，生產(chǎn)環(huán)境油霧大，產(chǎn)品利潤低。

(3) 該生產(chǎn)線情況

該線是國內(nèi)外第一條從毛坯上線到成品清洗后下線完整的曲柄自動(dòng)加工生產(chǎn)線。整線采用數(shù)控化設(shè)備、總線控制方式，自動(dòng)上下料，應(yīng)用在線自動(dòng)測(cè)量、刀具管理、高壓斷屑、工件自動(dòng)清理、自動(dòng)排屑、單元全防護(hù)、油霧收集等技術(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，縮減設(shè)備占地面積，降低生產(chǎn)成本。

4 結(jié)束語

該自動(dòng)化生產(chǎn)線的研制成功及用戶的正常使用，標(biāo)志著我國生產(chǎn)線研制能力和水平已有了很大提高。這條具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)線，不僅填補(bǔ)了我國自行研制曲柄加工生產(chǎn)線的空白，更重要的是我們已經(jīng)掌握了相關(guān)方面的先進(jìn)技術(shù)，替代了進(jìn)口設(shè)備，為用戶企業(yè)減少了支出，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性提高25%以上，有效提高了用戶企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] 劉濤. 2013-2017年中國曲柄軸市場(chǎng)研究及未來發(fā)展趨勢(shì)報(bào)告[R]. 北京:智研咨詢集團(tuán), 2013.

[2] 任嘉卉. 公差與配合手冊(cè)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2013.

[3] 于善奇. 工序能力指數(shù)的新定義及其應(yīng)用[J]. 標(biāo)準(zhǔn)科學(xué), 2007(1): 53-54.

[4] 沈亞麗. 用于自動(dòng)車床斷屑的高壓冷卻系統(tǒng)[J]. 柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造, 1994(2): 42-45.

[5] 唐彬, 劉杰. 機(jī)器人視覺傳感系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床的組合應(yīng)用研究[J]. 機(jī)械管理開發(fā), 2016(11): 46-47.

[6] Carvalho J, Carvalho A, Portugal P. PERFORMABILITY EVALUATION OF PROFIBUS-DP MULTI-MASTER NETWORKS IN INDUSTRIAL RELEVANT SCENARIOS[J]. Ifac Proceedings Volumes, 2007, 40(22):95-102.

[7] Guh R S, Tannock J D T, O′ Brien C. IntelliSPC: a hybrid intelligent tool for on-line economical statistical process control[J]. Expert Systems with Applications, 1999, 17(3):195-212.

[8] 權(quán)占群, 張樹禮. 桁架機(jī)械手及在柔性加工自動(dòng)線上的應(yīng)用[J]. 金屬加工:冷加工, 2014(12):23-25.

(編輯 李秀敏)

Development of Automatic Production Line for Left and Right Crank

CHEN Tao

(Technology Center,Dalian Machine Tools Group,Dalian Liaoning 116620,China)

This paper introduces the development and manufacture of automatic processing line of left and right crank. First introduced the crank manufacturing at home and abroad the status of the industry, followed by analysis of the structure characteristics and processing technology of crank parts, introduces the automatic line and the implementation of the principles, key technology and innovation, finally compares the level of technology at home and abroad crank processing production line. Through the normal use of the user, it is proved that the production line is reliable and advanced, which is of great significance to the development of the intelligent production line in China.

crank processing; automation; production line

1001-2265(2017)05-0130-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.05.034

2017-02-28;

2017-03-20

國家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)課題(2015ZX04005002)

陳濤(1983—)，男，遼寧建昌人，大連機(jī)床集團(tuán)技術(shù)中心工程師，主要從事組合機(jī)床及自動(dòng)線研發(fā)設(shè)計(jì)，(E-mail)ct2312@163.com。

TH165;TG5

A