智能制造在風(fēng)扇驅(qū)動本體加工中的應(yīng)用

余濤，殷旅江，周晶晶，祝定勍，任小冬，汪鐵云

1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 湖北十堰 442000

2.十堰國藥東風(fēng)口腔醫(yī)院 湖北十堰 442002

3.東風(fēng)汽車動力零部件有限公司 湖北十堰 442000

1 序言

風(fēng)扇驅(qū)動主要用于發(fā)動機(jī)、冷卻系統(tǒng)及切削液的散熱。汽車發(fā)動機(jī)在高溫工作環(huán)境下必須得到適度的冷卻，保證其在適宜的溫度下工作，才能發(fā)揮發(fā)動機(jī)良好的工作性能，滿足耐久性和廢氣排放的要求。風(fēng)扇驅(qū)動在此起著關(guān)鍵性作用，可以保證發(fā)動機(jī)不會因高溫而產(chǎn)生故障。這也對風(fēng)扇驅(qū)動本體（見圖1）的加工、裝配及使用性能提出了很高的要求，運用機(jī)器人技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)線產(chǎn)能的提升、質(zhì)量的保證及人員的解放勢在必行[1-3]。

圖1 風(fēng)扇驅(qū)動本體

2 風(fēng)扇驅(qū)動本體生產(chǎn)制造現(xiàn)狀

風(fēng)扇驅(qū)動本體零件主要加工要求見表1，原工藝平面布置方式如圖2所示（圖中圓圈標(biāo)記為操作者位置），原加工工藝流程見表2。

表1 風(fēng)扇驅(qū)動本體零件主要加工要求 （單位：mm）

圖2 原工藝平面布置方式

表2 原加工工藝流程

原工藝過程存在的主要問題如下。

1）自動化程度很低。加工中主要依靠人工進(jìn)行送料、裝夾、取料和檢驗等，人工轉(zhuǎn)運勞動強(qiáng)度大，零件表面易產(chǎn)生磕碰傷。

2）質(zhì)量保障能力較低。生產(chǎn)中人為因素較多，質(zhì)量保障狀態(tài)不可控，檢測方式及測量儀器可操作性差。

3）生產(chǎn)效率較低。周邊銑削毛刺需手工去除，生產(chǎn)過程全部靠人工來完成。設(shè)備平行布局比較適合多品種柔性化生產(chǎn)，但在“一人三機(jī)”的作業(yè)模式下，工序之間距離最長達(dá)4.95m，操作人員行走路線較長，勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量難以保障。操作人員受生理因素的限制，不能持續(xù)高負(fù)荷地響應(yīng)設(shè)備節(jié)拍，勢必影響生產(chǎn)線的效率。

3 風(fēng)扇驅(qū)動本體智能制造

3.1 總體方案

以汽車零部件發(fā)動機(jī)風(fēng)扇驅(qū)動本體加工工序的智能制造單元為背景，集成工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控加工和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)等模塊，融入MES系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與可視化，通過工作島設(shè)備與信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通，實現(xiàn)離散型工作島智能化。

風(fēng)扇驅(qū)動本體加工島合二為一，拋棄車削工藝，4臺加工中心組合成島平行布局，并輔以第七軸，由1臺關(guān)節(jié)臂機(jī)器人值守（見圖3）。結(jié)合設(shè)備外形尺寸確定機(jī)器人的工作范圍，結(jié)合機(jī)加夾具裝夾數(shù)量確定夾指結(jié)構(gòu)，結(jié)合零件質(zhì)量確定機(jī)器人的額定負(fù)載。

圖3 關(guān)節(jié)臂機(jī)器人

3.2 主要功能特點

（1）自動上下料 采用自動上下料機(jī)器人設(shè)備組成自動上下料系統(tǒng)，整體布局如圖4所示，主要由六軸關(guān)節(jié)臂機(jī)器人、上料輸送鏈、下料輸送鏈、缺料檢測機(jī)構(gòu)、零件定位機(jī)構(gòu)、零件矯姿機(jī)構(gòu)、零件翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、零件轉(zhuǎn)存機(jī)構(gòu)和切屑清理機(jī)構(gòu)等組成。

圖4 自動上下料系統(tǒng)整體布局

自動上下料工藝流程為：首先通過物流小車將物料放置在輸送鏈上，然后運用六軸機(jī)器人進(jìn)行物料抓取，通過機(jī)械抓手進(jìn)行定位并將物料放置到夾具上，加工中心進(jìn)行加工，完成后機(jī)器人取料并放置到下一工序夾具中。自動上下料工作站如圖5所示，可完成加工設(shè)備連線、零件碼放、區(qū)域作業(yè)陣地的上料和下料等工作，減少重復(fù)且無創(chuàng)造性的勞動，降低作業(yè)人員勞動強(qiáng)度。

圖5 自動上下料工作站

（2）定位可靠 機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由機(jī)器人抓手、萬向浮動順從裝置、機(jī)器人碰撞傳感器、零件檢測裝置和機(jī)器人毛刺清理工具等組成。萬向浮動順從裝置（見圖6）是零件在夾具上可靠定位的關(guān)鍵，機(jī)器人上料雖然是按坐標(biāo)定位，但考慮到零件個體的差異及抓料的誤差，坐標(biāo)設(shè)定時必須要“過定位”，因此需要借助該裝置1～2mm的調(diào)節(jié)量來抵消這種誤差，確保零件“定準(zhǔn)位”[4,5]。

圖6 萬向浮動順從裝置

（3）采用集成工序 重新組合工序，實現(xiàn)“以鏜代車”（見圖7）。風(fēng)扇驅(qū)動本體加工島摒棄車削工序，3道工序重新組合為2道工序。既能節(jié)省設(shè)備資源，同時又減少了零件裝夾次數(shù)，工藝穩(wěn)定性更高，而且工序集成化恰好又降低了智能改造的難度。

圖7 “以鏜代車”工藝優(yōu)化

該集成工序集成了加工中心、機(jī)器人和自動輸送鏈系統(tǒng)，在確保產(chǎn)品高精度要求的同時，以自動化解決了生產(chǎn)效率提升的掣肘。

（4）精益生產(chǎn) 通過作業(yè)觀察，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人串行作業(yè)模式一旦被人工干預(yù)，3臺設(shè)備中可能會存在多達(dá)2臺設(shè)備待料的情況，直到下一個作業(yè)循環(huán)開始。改為并行作業(yè)模式后（見圖8），3臺設(shè)備中無論哪臺先加工完成，或是哪臺需要上下料，都不受任何工況影響，使生產(chǎn)效率最大化。

圖8 串行模式優(yōu)化為并行模式

（5）自動去毛刺與清潔模塊 自動去毛刺裝置如圖9所示，通過優(yōu)化刀具角度來控制毛刺形狀，并通過調(diào)整切削軌跡來控制毛刺大小，使用高速專用倒角刀進(jìn)行自動去毛刺操作。

圖9 自動去毛刺裝置

高壓定點沖（吹）屑能確保零件清潔及定位可靠（見圖10），使操作人員勞動強(qiáng)度進(jìn)一步降低，節(jié)省加工時間。

圖10 高壓定點沖屑

（6）定點檢測模塊 定點抽檢臺如圖11所示，抽檢模式的設(shè)計更有利于質(zhì)量管控，而且抽檢靈活性更高，無需中斷加工島生產(chǎn)，機(jī)器人可自動將抽檢零件送至指定位置。

圖11 定點抽檢臺

（7）生產(chǎn)信息數(shù)字化 按照生產(chǎn)管理的需要，建立相應(yīng)的生產(chǎn)過程實時監(jiān)控系統(tǒng)，如圖12所示。

圖12 生產(chǎn)過程實時監(jiān)控系統(tǒng)

實時監(jiān)控系統(tǒng)顯示設(shè)備和工序的生產(chǎn)過程實時信息，進(jìn)行報警信息監(jiān)控及刀具壽命管理，生產(chǎn)管理人員可以及時查看生產(chǎn)運行的現(xiàn)行狀態(tài)和生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)。通過ERP系統(tǒng)接收客戶計劃訂單，利用MES系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度及組織生產(chǎn)，同時對產(chǎn)品生產(chǎn)全過程進(jìn)行管理、質(zhì)量控制和追溯，接入PDM系統(tǒng)實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)風(fēng)扇驅(qū)動本體生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全生命周期管理，滿足商用車零件生產(chǎn)流程的智能化。另外，通過管理系統(tǒng)和車間網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，實現(xiàn)車間管理智能化：通過WMS系統(tǒng)進(jìn)行物料的供給管理，保證產(chǎn)品、物料質(zhì)量的可追溯性；通過構(gòu)建車間網(wǎng)絡(luò)和信息安全體系以及SCADA系統(tǒng)對車間設(shè)備的運行進(jìn)行有效監(jiān)控，保證設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)（見圖13）。

圖13 設(shè)備運行監(jiān)控

4 效果前后對比

普通加工和智能制造效果對比見表3。

表3 普通加工和智能制造效果對比

通過實踐驗證，運用智能制造方案，風(fēng)扇驅(qū)動本體“機(jī)器換人”項目完成后取得了顯著的效果。

1）新工藝流程中的單班操作人員由原來的14人減少為8人，合計減少6名操作者，降低人工成本 48萬元/年（按兩班制統(tǒng)計）。

2）加工設(shè)備由原來的9臺減少至現(xiàn)在的6臺，大大降低了設(shè)備投入成本。

3）產(chǎn)品質(zhì)量保障能力得到全面提升，產(chǎn)品一次合格率由95.4%提高到99.2%。

4）通過機(jī)械連續(xù)作業(yè)與智能化加工方法的結(jié)合，生產(chǎn)線產(chǎn)能相比人工上下料JPMH（人均小時勞動生產(chǎn)率）提升11%，大幅度降低了生產(chǎn)的綜合管理成本，每年多創(chuàng)造產(chǎn)值近300萬元。

5 結(jié)束語

風(fēng)扇驅(qū)動本體的智能制造方案，不僅是實現(xiàn)零件加工自動化、提高生產(chǎn)效率和滿足產(chǎn)品制造精度要求的較好方法，而且為企業(yè)提升經(jīng)營效益提供了重要保障。后續(xù)計劃將智能制造自動化機(jī)械加工設(shè)備、自動去毛刺的工藝方法進(jìn)行橫向推廣，應(yīng)用到其他系列風(fēng)扇驅(qū)動本體及系列主軸承蓋產(chǎn)品的加工中，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效益，降低操作人員勞動強(qiáng)度。