基于精密旋轉(zhuǎn)軸數(shù)字化柔性生產(chǎn)的自動(dòng)化車削方案的研究

陳 雪

(包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控技術(shù)系，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

隨著產(chǎn)品的多品種、小批量的市場(chǎng)需求越來越明顯，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)及非常短的交貨周期使制造企業(yè)越來越廣泛地采用數(shù)字化柔性生產(chǎn)單元。機(jī)器人柔性車削加工單元是數(shù)字化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，它是以機(jī)器人或機(jī)械手為工作核心，由車銑復(fù)合加工中心和其他輔助設(shè)備組成，具有占地面積小、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、投資較小、可靠性較高、使用及維護(hù)均較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，成為柔性制造系統(tǒng)的主要發(fā)展方向之一[1]?，F(xiàn)在各企業(yè)制造車間中的數(shù)控車床數(shù)量雖然較多，但普遍存在利用率低的問題。本文以此為背景，構(gòu)建了一種基于自動(dòng)上料機(jī)和工業(yè)機(jī)器人的柔性車削加工單元，并重點(diǎn)描述了其自動(dòng)化車削的設(shè)計(jì)方案，以10號(hào)零件為例，經(jīng)實(shí)踐證明，該自動(dòng)化車削方案可行有效，不僅滿足了零件的加工要求，提高了生產(chǎn)效率，而且實(shí)現(xiàn)了高速、高精度、高效率的加工。該新型精密旋轉(zhuǎn)軸數(shù)字化柔性生產(chǎn)單元可廣泛應(yīng)用于軸類零件的自動(dòng)化加工，能夠顯著提高企業(yè)的整體裝備水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 生產(chǎn)單元描述

一種新型精密旋轉(zhuǎn)軸數(shù)字化柔性生產(chǎn)單元的設(shè)計(jì)，對(duì)精密軸類件加工線進(jìn)行自動(dòng)化集成，完成從粗到精加工過程全數(shù)字化柔性化生產(chǎn)(見圖1)。

圖1 全數(shù)字化柔性生產(chǎn)單元

1)生產(chǎn)線以13種零件為對(duì)象，建成一條具有數(shù)字化、自動(dòng)化功能的柔性生產(chǎn)單元。生產(chǎn)單元主要承擔(dān)零件半精、精加工工序的車削與銑削加工。

2)生產(chǎn)線承擔(dān)13種零件半精、精加工工序的制造，生產(chǎn)線的工藝和自動(dòng)化必須考慮高度柔性，換產(chǎn)便利，且設(shè)計(jì)理念必須安全可靠。

3)生產(chǎn)線的自動(dòng)化和工藝必須成熟可靠，需要考慮航空零部件材料的難加工、刀具壽命短、不易斷屑等特點(diǎn)。

1.1 生產(chǎn)單元工藝工序

精密旋轉(zhuǎn)軸數(shù)字化柔性生產(chǎn)單元工藝工序見表1。

表1 精密旋轉(zhuǎn)軸數(shù)字化柔性生產(chǎn)單元工藝工序

1.2 自動(dòng)化工藝流程

自動(dòng)化工藝流程如下。

1)工件毛坯件通過料框裝料，人工使用小車推入料倉，小車帶RFID。

2)攝像系統(tǒng)對(duì)料倉待抓取毛坯拍照進(jìn)行防錯(cuò)識(shí)別。

3)桁架抓手抓取毛坯送至車一加工。

4)桁架抓手抓取車一完成件送至車二加工。

5)桁架抓手抓取車二完成件送至機(jī)器人單元中轉(zhuǎn)料框。

6)桁架抓手抓取機(jī)器人單元成品返回料倉放料。

7)桁架抓手從步驟3開始新的循環(huán)。

8)人工將成品零件使用小車推出料倉。

2 柔性自動(dòng)化信息化

2.1 機(jī)床及附件

加工設(shè)備CTX BETA 1250 TC簡(jiǎn)介如圖2所示。數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)的高精度加工和一體化集成式電主軸使該機(jī)動(dòng)態(tài)性能好；機(jī)床采用專利結(jié)構(gòu)，極度緊湊(見圖3)；CTX beta采用絕對(duì)式位置傳感器(不需要參考點(diǎn)回零)尾座/動(dòng)力驅(qū)動(dòng)刀具和C軸(標(biāo)配)；Y軸和副主軸(選配)；模塊式結(jié)構(gòu)，易擴(kuò)展，從各規(guī)格尺寸的萬能車削擴(kuò)展到完整加工；軸行程大，車削直徑大和扭矩大；性能穩(wěn)定性好和使用壽命長(zhǎng)；高效使用多個(gè)切削刃的多刀尖車刀；可在車/銑復(fù)合加工中心上使用一個(gè)主刀座提供多個(gè)姐妹刀，縮短換刀時(shí)間，節(jié)省刀庫空間[2](見圖4)。

圖2 加工設(shè)備CTX BETA 1250 TC簡(jiǎn)介

圖3 機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊

圖4 主刀座提供多個(gè)姐妹刀

2.2 帶RFID系統(tǒng)的中央料倉系統(tǒng)

模塊化組合的中央料倉系統(tǒng)可用于各類半精加工、精加工自動(dòng)化以及檢測(cè)清洗自動(dòng)化系統(tǒng)。RFID芯片的物流系統(tǒng)可以輕松組建柔性車間級(jí)MES系統(tǒng)[3]。

零件整齊放置在料框相應(yīng)模塊內(nèi)，1個(gè)料框零件儲(chǔ)放量為8～12件，1輛小車可存放4～5個(gè)料框，總計(jì)一次輸送量為32～60件(見圖5)。

a)儲(chǔ)料框

b)料框運(yùn)輸系統(tǒng)圖5 帶RFID的料框運(yùn)輸系統(tǒng)

帶RFID的料框運(yùn)輸系統(tǒng)是物流和自動(dòng)化相結(jié)合的柔性倉儲(chǔ)系統(tǒng)，可用于車削半精加工自動(dòng)化系統(tǒng)，也可用于磨削精密加工以及檢測(cè)和其他輔助工序。料車推送進(jìn)入到FSC 600附屬RFID芯片檢測(cè)物料是否正確，目前僅設(shè)計(jì)檢測(cè)RFID內(nèi)寫入的零件號(hào)是否與自動(dòng)化啟動(dòng)的相關(guān)程序所屬零件號(hào)相符合；RFID芯片內(nèi)所有相關(guān)數(shù)據(jù)需要在物料裝載時(shí)提前輸入；通過讀取錄入數(shù)據(jù)自動(dòng)化系統(tǒng)可記錄所屬位置零件的零件號(hào)[4]。

2.3 攝像防錯(cuò)Congex視覺辨識(shí)系統(tǒng)

自動(dòng)化辨識(shí)零件長(zhǎng)度及外徑；通過與預(yù)存零件的長(zhǎng)度及外徑的比較確定上料零件的類型；校正上料系統(tǒng)的抓取誤差，提供上下料精度，確保上料無誤(見圖6)。

a)Congex攝像機(jī)

b)自動(dòng)化辨識(shí)零件長(zhǎng)度及外徑圖6 Congex視覺辨識(shí)系統(tǒng)

2.4 車間級(jí)自動(dòng)化無縫連接

MES核心的職責(zé)就是生產(chǎn)過程的管控，基于控制層提供的設(shè)備可靠性參數(shù)，及時(shí)地分解并執(zhí)行系統(tǒng)下達(dá)的生產(chǎn)訂單，按時(shí)保質(zhì)保量完成生產(chǎn)任務(wù)，只有關(guān)注到每個(gè)生產(chǎn)單元、每個(gè)設(shè)備、每個(gè)班次、每個(gè)工序、每個(gè)參數(shù)，才能完成它最終使命。但要更完美地完成使命，系統(tǒng)就需要協(xié)同其他功能模塊對(duì)計(jì)劃執(zhí)行的排產(chǎn)、生產(chǎn)運(yùn)行的排班、各階段產(chǎn)物質(zhì)量的監(jiān)控、設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、工藝參數(shù)的優(yōu)化與存檔、庫存物料的出入庫及上下架、整個(gè)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)。車間級(jí)自動(dòng)化無縫連接如圖7所示。

圖7 車間級(jí)自動(dòng)化無縫連接

3 自動(dòng)化車削解決方案

1)自動(dòng)化車削解決方案1見表2，案例如圖8所示。

表2 自動(dòng)化車削方案1

a)單刃車刀

b)Multi tools多刃車刀+姐妹刀圖8 自動(dòng)化車削方案1

2)自動(dòng)化車削解決方案2見表3，案例如圖9所示。

表3 自動(dòng)化車削方案2

a)普通CNC加工方案

b)車床自動(dòng)高效斷屑方案圖9 自動(dòng)化車削方案2

3)自動(dòng)化車削解決方案3見表4，案例如圖10所示。

表4 自動(dòng)化車削解決方案3(自動(dòng)化夾具系統(tǒng))

a)普通夾具

b)高性能柔性夾具圖10 自動(dòng)化夾具系統(tǒng)

夾具手動(dòng)快速更換：以前使用的模塊化漲套快換裝置更換時(shí)間在2 min內(nèi)，現(xiàn)在使用的夾頭快換裝置更換時(shí)間在15 s內(nèi)(見圖11)。

a)模塊化漲套快換(2 min內(nèi))

b)夾頭快換(15 s內(nèi))圖11 模塊化漲套快換裝置與夾頭快換裝置的比較

零件裝夾、夾具特性：TESTit 4.0加持力測(cè)量避免薄壁零件夾持變形(見圖12)。

圖12 TESTit 4.0加持力測(cè)量

4 提高加工效率

以10號(hào)零件為例，零件材料：GH4169，毛坯尺寸：110 mm(D)×115 mm(L)，10號(hào)零件毛坯如圖13所示，裝夾示意圖如圖14所示。

圖13 10號(hào)零件毛坯圖

a)OP10

b)OP20

c)OP30圖14 10號(hào)零件裝夾示意圖

使用德馬吉生產(chǎn)的五軸聯(lián)動(dòng)萬能復(fù)合加工中心CTX BETA 1250 TC設(shè)備，加工航天行業(yè)內(nèi)屬于較常用的材料GH4169高溫合金，硬度為40～45 HRC，其綜合力學(xué)性能非常好，但同時(shí)也給加工帶來了很大的困難[5]。采用多刃車刀+姐妹刀，高壓內(nèi)冷+特殊刀片槽設(shè)計(jì)+參數(shù)優(yōu)化，夾頭快換裝置，加工的刀具線速度多采用Vc=20～60 m/min，每齒切削量為0.06～0.2 mm，可以較好地加工該零件，最終加工表面粗糙度為Ra1.6 μm。經(jīng)實(shí)踐證明，OP10/OP20加工時(shí)間為39.30 min，OP30加工時(shí)間為20.10 min，10號(hào)零件總加工時(shí)間為59.4 min。通過充分的工藝和自動(dòng)化優(yōu)化，比原有生產(chǎn)單元效率提升400%，該種加工工藝高效可行，不僅滿足了零件的精度要求，而且提高了生產(chǎn)效率，降低了加工成本，成功實(shí)現(xiàn)了高速、高精度、高效率的多軸加工[6]。

5 結(jié)語

一種新型精密旋轉(zhuǎn)軸數(shù)字化柔性生產(chǎn)單元的設(shè)計(jì)，對(duì)精密軸類件加工線進(jìn)行自動(dòng)化集成，完成從粗到精加工過程全數(shù)字化柔性化生產(chǎn)。柔性加工單元越來越受到機(jī)床制造商和用戶的重視。本加工單元已在某精密零部件生產(chǎn)廠得到了實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，在很大程度上提高了生產(chǎn)效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，使生產(chǎn)具有柔性化功能。采用柔性化車削加工自動(dòng)化生產(chǎn)，提高了數(shù)控機(jī)床的操作安全性，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，工件的上下料及自動(dòng)加工連接緊密，因此大大提高了工作效率，具有較好的推廣價(jià)值。該精密旋轉(zhuǎn)軸數(shù)字化柔性生產(chǎn)單元可廣泛應(yīng)用于軸類零件的自動(dòng)化生產(chǎn)。