先進(jìn)商用車差速器殼自動線的實踐

畢卉 李海明 劉學(xué)志 姜思琦 劉明

（一汽解放汽車有限公司傳動事業(yè)部技術(shù)發(fā)展部，長春 130011）

1 前言

隨著商用車差速器殼產(chǎn)品的升級換代，零件精度不斷提高，智能化生產(chǎn)的要求也不斷更新，傳統(tǒng)的單機(jī)生產(chǎn)方式已不適應(yīng)高效生產(chǎn)的需要。為此，本案例介紹了國內(nèi)首條商用車差速器殼加工、檢測、清洗全自動化的生產(chǎn)線，采用集成化的工藝方案，選用高效加工設(shè)備及工裝、輔助智能補(bǔ)償反饋系統(tǒng)、在線SPC 控制、自動防錯等智能化技術(shù)，實現(xiàn)了高質(zhì)、高效、低成本的精益生產(chǎn)。下面對具體應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

2 生產(chǎn)線概述

該生產(chǎn)線由3 臺雙主軸車削中心（左殼1 臺、右殼2 臺）、2 臺測量機(jī)（左殼、右殼各1 臺）、1 臺回轉(zhuǎn)式清洗機(jī)（左殼、右殼共用）組成，生產(chǎn)線布局圖如圖1 所示。

圖1 生產(chǎn)線布局

該線自動化單元采用機(jī)動輥道和機(jī)器人，實現(xiàn)加工過程和輔助過程的全自動化，具備零件識別、零件清潔等功能。

該線配置機(jī)內(nèi)測量單元，實現(xiàn)對零件關(guān)鍵尺寸的檢測和智能補(bǔ)償反饋。

該線在滿足了節(jié)拍和質(zhì)量的前提下，占地面積小，設(shè)計布局合理，維護(hù)保養(yǎng)簡單易行，體現(xiàn)了很高的柔性和宜人性。

3 高精度加工方案

該線采用集成加工工藝，相對傳統(tǒng)工藝極大提升了零件質(zhì)量，對軸徑等高精度關(guān)鍵參數(shù)通過智能補(bǔ)償反饋系統(tǒng)，實時監(jiān)控和補(bǔ)償，軸徑等關(guān)鍵參數(shù)的過程性能指數(shù)Ppk≥1.67。

3.1 集成加工工藝

差速器殼由左殼和右殼2 個零件組成，傳統(tǒng)工藝是先分別加工左殼和右殼球面、內(nèi)孔等部位，再將2 個件裝配在一起之后整體加工十字軸孔、軸徑等部位。差速器球面和十字軸孔的位置精度要求是決定差速器殼精度的核心關(guān)鍵尺寸，傳統(tǒng)工藝因采用分序加工,精度無法大幅提升。

集成加工工藝實現(xiàn)了球面、十字軸孔等傳統(tǒng)工藝分序加工的部位在一道工序全部加工完成，球面和十字軸孔位置精度達(dá)到＜0.1 mm，經(jīng)市場驗證，極大提高了產(chǎn)品壽命。集成加工見圖2。

圖2 集成加工

3.2 智能補(bǔ)償反饋系統(tǒng)

差速器左右殼的軸徑尺寸在集成加工工藝中采用車削代替磨削，為提高過程能力，采用特殊設(shè)計的機(jī)內(nèi)測頭對機(jī)床加工尺寸進(jìn)行實時監(jiān)控并在刀具磨損后進(jìn)行補(bǔ)償，過程性能指數(shù)Ppk≥1.67。機(jī)內(nèi)測頭裝置見圖3。

圖3 機(jī)內(nèi)測頭裝置

為保證測量準(zhǔn)確，機(jī)內(nèi)測頭測量區(qū)和加工區(qū)分離，避免了機(jī)內(nèi)鐵屑及冷卻液對測頭精度的影響。機(jī)內(nèi)測頭根據(jù)程序設(shè)定對2個工作室內(nèi)的被加工件進(jìn)行測量。工作室內(nèi)的隔板2通過氣動的方式被打開，測頭移動裝置1 在壓縮空氣作用下被向前推進(jìn)。連接工件的主軸和被加工件被共同推進(jìn)到測頭3。在完成測量之后，測頭移動裝置1 回復(fù)原位，隔板2被再次鎖定后，工件才能被繼續(xù)加工。

4 高效、低成本加工方案

該線選用雙主軸倒立式車削中心，1 臺設(shè)備即可獨(dú)立完成差速器左殼或右殼的加工，與傳統(tǒng)工藝比減少了左殼清洗、右殼清洗、裝配、左殼磨削、右殼磨削、大法蘭面車削、拆開7 個工序，整線工序數(shù)由傳統(tǒng)工藝的12 個工序減少至5 個工序，減少了占地面積和操作人員，單班只需要右殼1 名操作者、左殼1 名操作者和1 名管理人員，兩班制共6人，相同產(chǎn)能按照傳統(tǒng)工藝需要22 人，節(jié)省14 人。

該線針對零件選用合理的刀具配置，通過高效、高質(zhì)量的加工來保證節(jié)拍和零件精度要求，具備3 h 無人化生產(chǎn)的能力。

4.1 高效加工設(shè)備

該線選用的加工設(shè)備是雙主軸倒立式車削中心，這是從有利于工序集中、高效加工、減少占地面積、便于上下件和鐵屑排出因素綜合考慮而選擇的高效集成加工設(shè)備的最佳方案。機(jī)床組成結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 機(jī)床組成結(jié)構(gòu)

設(shè)備內(nèi)部有2 個工作室，在2 個工作室之間是1 個卸載室，用來實現(xiàn)被加工件的自動更換。主軸負(fù)責(zé)被加工件在工作室和卸載區(qū)域之間的運(yùn)輸。

被加工件在機(jī)器內(nèi)部的運(yùn)輸，由毛坯傳送機(jī)和成品傳送機(jī)來完成。這些物件被從后方送入到機(jī)器內(nèi)部的卸料區(qū)域。這些毛坯由機(jī)器人定位到毛坯被加工件接收臺24 上。毛坯傳送機(jī)23 把毛坯被加工件接收臺24 以及毛坯向前推進(jìn)到機(jī)器內(nèi)的裝載區(qū)域。

連接被加工件的工件主軸10 接收了毛坯后，輸送到右側(cè)回轉(zhuǎn)式裝料機(jī)9 等待加工。在右側(cè)完成加工之后，被加工件將由回轉(zhuǎn)單元15 夾緊并且旋轉(zhuǎn)180°，被輸送到升降臺14 上。

連接被加工件的工件主軸17 接收毛坯后，輸送到左側(cè)回轉(zhuǎn)式裝料機(jī)16 等待加工。在左側(cè)完成加工之后成品件將被輸送到成品傳送機(jī)22 上的成品件接收臺21 上。成品件接收臺21 和其上成品件一起，被向后推進(jìn)，等待機(jī)器人抓取。

4.2 高效刀具方案

通過合理配備姊妹刀，運(yùn)用刀具壽命管理、刀具尺寸防錯技術(shù)，實現(xiàn)高效生產(chǎn)。

4.2.1 姊妹刀配置

按50 件換刀頻次選擇刀塔刀位數(shù)，對壽命不足的刀具配置姊妹刀，具備3 h 無人化生產(chǎn)的能力。

4.2.2 刀具壽命管理

設(shè)定刀具壽命，刀具壽命剩余2 件時進(jìn)行黃燈閃爍提示，剩余0 件自動停止加工。

4.2.3 刀具尺寸防錯

每次使用新刀具前都會自動調(diào)用1 個專門的程序檢測刀具長度是否在設(shè)定值范圍內(nèi)，防止更換刀柄后輸入刀具長度值不對導(dǎo)致的撞刀。

5 自動化、信息化技術(shù)

該線應(yīng)用在線SPC 控制、全自動清洗、防錯技術(shù)輔助高效率加工，實時監(jiān)控采集質(zhì)量信息、設(shè)備信息、負(fù)載信息、參數(shù)信息、加工管理信息、報警信息、刀具信息，形成完善的自動化應(yīng)用。

5.1 在線SPC控制

該線左殼和右殼各配置1 臺自動測量機(jī)，對差速器殼的球心位置度、十字軸孔位置度等關(guān)鍵尺寸進(jìn)行百檢及SPC 過程控制。SPC 工作站裝置見圖5。

圖5 SPC工作站裝置

機(jī)器人把被測件通過已開啟的測量機(jī)入口門1 放置到測試臺3 上，完成測量后進(jìn)行激光標(biāo)刻，工件檢測結(jié)果和工件刻印碼一一對應(yīng)并按照流水號存儲工件檢測結(jié)果數(shù)據(jù)。測量機(jī)將檢測后的質(zhì)量信息通過（流水號、質(zhì)量數(shù)據(jù)、檢測時間）網(wǎng)絡(luò)上傳至MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）數(shù)據(jù)庫。

5.2 全自動清洗

該線實現(xiàn)了全自動清洗，在清洗機(jī)外部采用機(jī)器人夾持工件輸送，在清洗機(jī)內(nèi)部采用回轉(zhuǎn)式輸送，定位支座定位，自動完成全部清洗工作，用同一機(jī)器人在同一位置上下料?；剞D(zhuǎn)式清洗機(jī)布局見圖6。

圖6 回轉(zhuǎn)式清洗機(jī)布局

自動清洗工藝流程為：差速器左殼、右殼分別通過各自的滑道進(jìn)入清洗機(jī)機(jī)器人取料工位4、5并定位；機(jī)器人3 分別抓取左殼、右殼放入清洗機(jī)上料工位6；進(jìn)出料門打開；清洗機(jī)定位夾具逆時針（俯視）旋轉(zhuǎn)120°；進(jìn)出料門關(guān)閉；工件進(jìn)入升降旋轉(zhuǎn)掃描清洗工位7；清洗完成后進(jìn)出料門打開；清洗機(jī)定位夾具逆時針旋轉(zhuǎn)120°；工件進(jìn)入旋轉(zhuǎn)掃描吹干工位8；吹干完成后進(jìn)出料門打開；清洗機(jī)定位夾具逆時針旋轉(zhuǎn)120°；工件進(jìn)入清洗機(jī)下料工位；機(jī)器人抓取工件放置在下料托盤2 上；托盤移出到裝卸區(qū)1，一個循環(huán)結(jié)束。

該件清洗工藝采用升降旋轉(zhuǎn)掃描清洗的方式對工件整體進(jìn)行無死點(diǎn)清洗，保證了極高的清潔度。

工件進(jìn)入清洗工位并到位后，頂面升降水箱下降，水箱下降到位后，清洗閥打開，噴嘴開始對工件進(jìn)行清洗，同時，工件定位支座開始旋轉(zhuǎn)，確保工件所有表面清洗到位。工件底面采用水箱最底部的噴嘴進(jìn)行掃描清洗。水箱上噴嘴的布置保證包容整個工件的所有表面和孔系。此清洗機(jī)清洗噴嘴布置兼容所有品種，噴嘴采用多品種疊加原理布置，保證清洗無死點(diǎn)。清洗噴嘴固定在噴嘴板上，噴嘴板通過高強(qiáng)度螺栓與升降水箱相連，可整體更換。差殼內(nèi)腔采用插入式掃描清洗，插管四周由線切割加工切口，清洗過程中切口位置形成圓周水刀，對差殼內(nèi)腔進(jìn)行全方位掃描。

清洗用夾爪采用適合潮濕工況的專用夾爪，夾爪上與工件接觸的位置采用防損傷工件設(shè)計，機(jī)床設(shè)有夾爪清潔工位，機(jī)器人上料操作完成后，夾爪進(jìn)入夾爪清潔工位進(jìn)行壓縮空氣吹凈，防止下料時夾爪對工件產(chǎn)生二次污染。

5.3 防錯技術(shù)

該線多個品種差速器殼混流生產(chǎn)，更換不同品種時，需要更換對應(yīng)的加工程序、測量程序、機(jī)器人程序，測量機(jī)需更換定位塊、校準(zhǔn)件。

為了避免因來料錯誤、程序錯誤、人工誤操作等造成的自動線停線、撞機(jī)，該線采取了來料防錯、加工防錯、程序互鎖防錯、檢測設(shè)備防錯措施，保證了自動化生產(chǎn)線的平穩(wěn)、高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

5.3.1 來料防錯

當(dāng)毛坯到達(dá)毛坯檢測位置時，會有2 個傳感器分別檢測軸徑尺寸及高度尺寸進(jìn)行防錯。

5.3.2 程序互鎖防錯

當(dāng)切換品種時，控制系統(tǒng)監(jiān)控所有子系統(tǒng)的品種狀態(tài)進(jìn)行防錯。

5.3.3 加工過程防錯

生產(chǎn)線采用了電機(jī)負(fù)載控制防錯技術(shù)，實時監(jiān)測，過程中如發(fā)現(xiàn)電機(jī)功率和電流過大，控制系統(tǒng)會自動退出刀具停止加工并報警。

5.3.4 測量機(jī)換型防錯

測量機(jī)在測量不同品種時需要更換不同的定位塊來調(diào)整測量位置，為避免錯誤的換型導(dǎo)致的撞機(jī)，采用了機(jī)械定位加重力感應(yīng)的防錯技術(shù)。測量機(jī)換型防錯示意見圖7。

圖7 測量機(jī)換型防錯示意

5.3.5 測量機(jī)校準(zhǔn)件換型的防錯

測量機(jī)更換校準(zhǔn)件的防錯方法為在固定托盤上安裝3 個螺釘，通過3 個螺釘伸出和縮回的排列組合產(chǎn)生6 種不同的結(jié)果，3 個螺釘?shù)膶?yīng)位置安裝有3 個傳感器，可以檢測出當(dāng)前校準(zhǔn)件對應(yīng)的品種，從而確認(rèn)是否和設(shè)置的品種一致。校準(zhǔn)件換型防錯示意見圖8。

圖8 校準(zhǔn)件換型防錯示意

6 結(jié)論

綜上，該線為實現(xiàn)高質(zhì)、高效、低成本的自動化生產(chǎn)，使用了以下先進(jìn)的技術(shù)方案，具有一定參考價值。

a.高精度加工方案：該線采用集成加工工藝，實現(xiàn)了差速器殼球面、十字軸孔等關(guān)鍵尺寸在一道工序的加工，相對傳統(tǒng)工藝極大提升了零件質(zhì)量，對軸徑等高精度關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)用智能補(bǔ)償反饋技術(shù)，軸徑等關(guān)鍵參數(shù)的過程性能指數(shù)Ppk≥1.67。

b.高效、低成本加工方案：該線選用雙主軸車削中心在1 臺設(shè)備上獨(dú)立完成差速器左殼或右殼的加工，整線工序數(shù)由傳統(tǒng)工藝的12 個工序減少至5 個工序，雙班6 人，相同產(chǎn)能比傳統(tǒng)工藝節(jié)省14 人。通過合理配備姊妹刀、刀具壽命管理、刀具尺寸防錯，實現(xiàn)高效生產(chǎn)。

c.自動化、信息化技術(shù)：該線應(yīng)用自動測量機(jī)進(jìn)行SPC 過程控制、全自動回轉(zhuǎn)式清洗機(jī)、全面的防錯技術(shù)輔助高效加工，實時監(jiān)控采集質(zhì)量信息、設(shè)備信息、負(fù)載信息、參數(shù)信息、加工管理信息、報警信息、刀具信息，形成完善的自動化應(yīng)用。

以上技術(shù)方案結(jié)合在一起，實現(xiàn)了基于自動加工、清洗和上下料、智能補(bǔ)償反饋系統(tǒng)組成的集成化、智能化生產(chǎn)線，充分滿足了差速器殼的工藝需求，生產(chǎn)線占地面積小，節(jié)省了大量操作者，同時提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。