扭力梁加工中心的設(shè)計及應(yīng)用

韋 鵬，韋 友

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

懸架是現(xiàn)代汽車上的重要組成之一，它把車架（或者車身）與主軸（或車輪）彈性地連接起來，懸架可分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架兩類[1]。扭力梁式懸架因其結(jié)構(gòu)簡潔，制造成本低，兼顧非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架的特性，得到廣泛應(yīng)用[2]。扭力梁通過輪轂軸承與車輪相連。扭力梁加工中心，是一種對扭力梁進(jìn)行銑削、鉆孔、倒角、攻牙的專用設(shè)備[3]。其中加工出來的安裝面，為一個三維空間面。在汽車?yán)碚撝?，將該平面與XY平面、YZ平面的夾角，分別定義為外傾角、前束角[4]。加工出來的螺紋孔，用于輪轂軸承與扭力梁連接螺栓的裝配。加工出來的兩個安裝面的法向距離，決定了汽車的輪距[5]。不同汽車的輪距、外傾角、前束角都不相同，螺紋孔、通孔的相對位置也不盡相同。同時，一臺扭力梁加工中心，也需要上百萬的投資成本，而且需要超過5個月的開發(fā)周期。設(shè)備開發(fā)成本高、周期長，成為嚴(yán)重影響汽車底盤開發(fā)的關(guān)鍵因素。因此針對汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)，迫切需要一臺柔性化智能化的扭力梁加工中心，以滿足不同扭力梁產(chǎn)品的生產(chǎn)。

為滿足現(xiàn)代汽車企業(yè)對不同扭力梁產(chǎn)品的生產(chǎn)，以柳洲五菱汽車工業(yè)有限公司某車型扭力梁產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目為例，開發(fā)一臺具備加工多車型，加工過程自動化智能化且加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠的扭力梁加工中心。該加工中心采用模塊化設(shè)計，主要包括拖動系統(tǒng)、主軸及刀具、潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻排屑系統(tǒng)、防護(hù)、夾具、數(shù)控、電氣系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)，以下著重闡述該加工中心的總體布局、角度調(diào)整機(jī)構(gòu)、夾具設(shè)計（含柔性快換）和電氣系統(tǒng)（智能化部分）的設(shè)計。

1 扭力梁加工中心整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

扭力梁加工中心結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。有些結(jié)構(gòu)主要是通過裝配一些標(biāo)準(zhǔn)件完成，如冷卻排屑系統(tǒng)。對這一部分不做詳細(xì)論述，主要論述機(jī)床整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、銑削角度調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計、待加工零件夾具定位機(jī)構(gòu)設(shè)計及其快速換型設(shè)計和智能化自動化確定進(jìn)刀余量原理。

圖1 臥式加工中心結(jié)構(gòu)

2 扭力梁加工中心工作原理及設(shè)計

待加工的扭力梁，通過機(jī)器人抓舉或者人工吊裝，放置于扭力梁夾具上。夾具通過夾緊機(jī)構(gòu)，將扭力梁固定。位移傳感器，在X軸滑臺的驅(qū)動下，完成待加工面的檢測并判定零件是否合格同時計算出進(jìn)刀量。換刀機(jī)構(gòu)將所需刀具安裝至動力頭上，動力頭在XYZ滑臺的共同驅(qū)動下，完成對扭力梁產(chǎn)品的銑削、鉆孔、倒角、攻牙、去毛刺等加工。加工完成后，動力頭退回到原點(diǎn)，扭力梁夾具將扭力梁松開，通過機(jī)器人抓舉或者人工吊裝，將完工產(chǎn)品調(diào)離加工中心，完成產(chǎn)品的加工。

2.1 銑削角度調(diào)整機(jī)構(gòu)

前束、外傾角所在的平面為一個空間平面。為保證汽車行駛時輪胎始終與地面接觸，同時減少輪胎的磨損，不同的車型根據(jù)整車要求，會選擇不同的前束、外傾角角度。多樣化的前束、外傾角組合，要求扭力梁加工中心銑削角度調(diào)整機(jī)構(gòu)具備角度可調(diào)范圍大，調(diào)整結(jié)果精確，調(diào)整過程快速、簡單等性能。銑削角度調(diào)整機(jī)構(gòu)，由前束角調(diào)整機(jī)構(gòu)、外傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成。其調(diào)整原理相同。角度調(diào)整機(jī)構(gòu)的機(jī)械原理為，調(diào)整座沿著回轉(zhuǎn)軸作回轉(zhuǎn)運(yùn)動。調(diào)整的前束角或者外傾角，等于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)沿著回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度α。如圖2，根據(jù)弧長公式l=α*R，其中α為調(diào)整的角度，R為回轉(zhuǎn)半徑。調(diào)整機(jī)構(gòu)的二維圖如圖3、圖4。因?yàn)榛剞D(zhuǎn)半徑R＞500，而調(diào)整角度＜2°，在調(diào)整角度α很小而回轉(zhuǎn)半徑很大的情況下，轉(zhuǎn)動α所對應(yīng)的圓周弧長近似等于弦長。弦長l通過安裝在機(jī)床上位移傳感器進(jìn)行測量，并通過顯示器，實(shí)時顯示，便于調(diào)整過程觀察，確定調(diào)整量。

圖2 角度計算數(shù)學(xué)模型

圖3 前束角調(diào)整機(jī)構(gòu)

圖4 外傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)

2.2 扭力梁定位夾緊機(jī)構(gòu)

將扭力梁按照理論數(shù)模，安裝并固定在加工中心的機(jī)構(gòu)，稱為扭力定位夾緊機(jī)構(gòu)。該定位夾緊機(jī)構(gòu)，主要由夾具（含定位銷、定位塊）、油缸（含壓頭）組成。根據(jù)扭力梁安裝狀態(tài)不同，該機(jī)構(gòu)有立式、臥式兩種結(jié)構(gòu)。

立式結(jié)構(gòu)如圖5所示，扭力梁豎直安裝。臥式結(jié)構(gòu)如圖6所示，扭力梁水平安裝。立式銑床，因?yàn)槠渲匦妮^高，主要應(yīng)用于人工上下料。因?yàn)楫a(chǎn)品豎直放置，夾具設(shè)計較復(fù)雜，油缸數(shù)量加多。而臥式機(jī)床，因?yàn)槠渲匦妮^低，操作位與安裝位距離較長，如果采用人工上下料，將增加操作強(qiáng)度，不符合人機(jī)工程，因此一般多用于機(jī)器人自動上下料。另外，因?yàn)楫a(chǎn)品水平放置，夾具設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，油缸數(shù)量較少且定位、夾緊可靠，機(jī)加工定位基準(zhǔn)，與焊接基準(zhǔn)一致，加工質(zhì)量可靠，因此受到絕大多數(shù)零部件生產(chǎn)廠家的歡迎。

圖5 立式銑床

圖6 臥式銑床

無論是立式結(jié)構(gòu)還是臥式結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)品定位的夾具設(shè)計是核心。在設(shè)計夾具時，需要遵循以下規(guī)范：

（1）油缸夾緊力經(jīng)過加工面，且施加夾緊力的壓頭與另一側(cè)的支撐塊，盡量保持在一條直線上，盡量減少因?yàn)閮烧叩腻e位帶來的懸臂結(jié)構(gòu)，從而降低夾持的穩(wěn)定性。

（2）被加工面，6個方向方的自由度，都需要完全限制，否則在加工過程中，待加工零件將會發(fā)生移動或者轉(zhuǎn)動，影響加工質(zhì)量，增加刀具損耗。

（3）所有的夾持機(jī)構(gòu)，必須具備可靠的自鎖能力，以保證在受到切削、鉆削等機(jī)加工力時，被加工零件始終處于固定狀態(tài)。目前，自鎖油缸因其結(jié)構(gòu)簡單，鎖緊力大且可靠，獲得廣泛的應(yīng)用。

2.3 智能化計算進(jìn)刀量機(jī)構(gòu)

扭力梁由橫梁、縱臂等零件沖壓件拼焊成型，成品存在焊接變形。因此，產(chǎn)品工程師在編制產(chǎn)品圖紙時候，會根據(jù)產(chǎn)品的使用功能、特性設(shè)置一定量的公差。扭力梁待加工面，公差范圍為±（1.5～2.0）mm。為保證加工質(zhì)量，扭力梁加工中心單次進(jìn)刀量，基本上維持在0.8～1.5 mm這個區(qū)間。待加工零件的變形量，遠(yuǎn)大于進(jìn)刀量，為適應(yīng)不同尺寸的扭力梁產(chǎn)品，加工中心增加智能化自動計算進(jìn)刀量的機(jī)構(gòu)，保證每次進(jìn)刀量保持在0.8～1.5 mm。

自動化進(jìn)刀量的原理如下：

設(shè)備啟動，刀盤在原點(diǎn)時，左、右刀盤X向的法向距離記為L0，坐標(biāo)分別記為XL0、XR0。在現(xiàn)有機(jī)床的左、右主軸上，分別安裝一個位移傳感器。左、右主軸分別沿著X軸滑臺移動XL、XR，左、右位移傳感器壓縮量分別為La、Lb。將待加工面X向距離標(biāo)記為L前，則L前=L0-（XL+XR）+（La+Lb），如果L前＞L+3，其中L為加工后加工面X向理論距離。表明進(jìn)刀量大于1.5 mm，如果L前＜L+1.6L，表面進(jìn)刀量小于0.8 mm，不滿足進(jìn)刀量0.8～1.5 mm的要求。則機(jī)床報警、停機(jī)。如果L+1.6≤L前≤L前+3，則左、右刀盤進(jìn)刀量△=（L前-L）/2。數(shù)據(jù)判定匯總見表1。主軸完成進(jìn)刀量檢測完成后，退回原點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)計算出的左、右刀盤進(jìn)刀量。左、右側(cè)刀盤在滑臺的驅(qū)動下，分別沿著X軸移動至坐標(biāo){（XL-La）+△}、（XRLb）+△}處?；_驅(qū)動刀盤沿著X軸移動，完成安裝面的加工。

表1 零件測量結(jié)果判定

2.4 快速柔性換型機(jī)構(gòu)

由于多品種、變批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，多采用混線加工方式，在生產(chǎn)過程中經(jīng)常需要根據(jù)計劃需求或者臨時訂單的情況，在同一臺機(jī)床上頻繁更換不同工件，而這一過程往往需要在機(jī)床停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行裝夾、找正等操作。尤其對于中小結(jié)構(gòu)件來說，換裝時間占用加工時間的比重更大，導(dǎo)致機(jī)床停工等待時間長，設(shè)備利用率較低，嚴(yán)重制約數(shù)控設(shè)備加工能力的發(fā)揮[6]。

加工中心安裝了零點(diǎn)定位系統(tǒng)，以滿足不同產(chǎn)品快速、柔性、精準(zhǔn)換型的需求。零點(diǎn)定位系統(tǒng)主要由兩個部分組成。一部分是安裝在夾具側(cè)的零點(diǎn)定位凸頭，另一部分是安裝在夾具底座上的凹座。

2.5 刀庫機(jī)構(gòu)

臥式加工中心的刀庫，主要有兩種結(jié)構(gòu)。一種為轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)換刀速度快，精度高。但是價格相對昂貴。另一種結(jié)構(gòu)為圓盤式，該機(jī)構(gòu)的換刀速度和精度都比轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)的低，但是價格較便宜。實(shí)際可以根據(jù)不同需求來選擇。

3 結(jié)語

機(jī)床、夾具中，安裝的零點(diǎn)定位器，實(shí)現(xiàn)機(jī)床在不同產(chǎn)品間快速準(zhǔn)確切換。提高了不同扭力梁產(chǎn)品在臥式加工中心的快速切換?？烧{(diào)式加工角度機(jī)構(gòu)，能夠兼容不同平臺扭力梁對前束、外傾角的差異。高精度的位移傳感器，精確探測待加工產(chǎn)品在機(jī)床中的位置，快速智能化計算確定進(jìn)刀量，確保加工質(zhì)量，降低加工成本。

通過零點(diǎn)定位器，可調(diào)式角度調(diào)整機(jī)構(gòu)和智能化進(jìn)刀系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一臺機(jī)床滿足不同平臺扭力梁產(chǎn)品的加工，提高了機(jī)床的利用率，減少了研發(fā)費(fèi)用的投入，縮短機(jī)床開發(fā)周期。