軸類(lèi)零件自動(dòng)校直機(jī)研究現(xiàn)狀與展望

吳 琪 彭成博 顏 鵬 黃 波 萬(wàn)宇星

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164）

在汽車(chē)、紡織以及家電等行業(yè)中會(huì)大量用到軸類(lèi)零件。軸類(lèi)零件種類(lèi)繁多，且不同零件加工工藝和熱處理不同。這些零件在加工制作過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)彎曲變形，其中彎曲度是衡量軸類(lèi)工件加工質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)[1]。常用的軸類(lèi)零件有凸輪軸、農(nóng)機(jī)軸、半軸以及汽車(chē)軸等。為了保證工件的后續(xù)加工和正常使用，需對(duì)彎曲的零件進(jìn)行校直。軸類(lèi)零件校直常用的方式有手工校直、機(jī)械式人工校直和自動(dòng)校直[2]。手工校直工藝復(fù)雜，校直效率低，人工成本高，校直精度低[3]。機(jī)械式人工校直對(duì)操作人員的依賴(lài)性強(qiáng)，可靠性差。自動(dòng)校直有液壓驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種，精度高，可靠性好，因此很多科研院所和企業(yè)致力于研發(fā)全自動(dòng)校直機(jī)。目前，美國(guó)、日本、德國(guó)等已研發(fā)出檢測(cè)效率高、精度高、智能化的自動(dòng)校直機(jī)，但價(jià)格和維護(hù)成本高昂?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)校直機(jī)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)和校直的自動(dòng)化，但是校直工裝調(diào)試由技術(shù)人員操作，達(dá)不到企業(yè)對(duì)校直工序的要求，且校直機(jī)成本高。國(guó)產(chǎn)校直機(jī)在測(cè)量精度、效率等方面仍需進(jìn)一步提高。隨著機(jī)械加工技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及人工智能的發(fā)展，校直機(jī)由自動(dòng)化向智能化轉(zhuǎn)型是校直技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 軸類(lèi)零件校直理論研究

1.1 軸類(lèi)零件校直方法

校直是消除材料或制件彎曲的加工方法。根據(jù)校直的制件和場(chǎng)合的不同，校直方法主要有松弛-蠕變法、加熱校直、電液脈沖法和三點(diǎn)反彎校直[4]。軸類(lèi)零件常用的校直方法是三點(diǎn)反彎校直。它是一種冷校直方法，對(duì)彎曲的軸類(lèi)零件通過(guò)兩個(gè)支撐點(diǎn)和一個(gè)打擊點(diǎn)組合，加以反向彎曲，實(shí)現(xiàn)校直。1994年，崔甫教授最早提出三點(diǎn)彎冷校直工藝參數(shù)理論[2]。軸類(lèi)零件校直工藝的研究包括支撐點(diǎn)和打擊點(diǎn)的選擇、校直行程量的計(jì)算和預(yù)測(cè)、校直工藝決策優(yōu)化以及校直機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1.2 支撐點(diǎn)和打擊點(diǎn)的選擇

軸類(lèi)零件的常見(jiàn)變形種類(lèi)有單彎型、S型、多峰型和空間彎曲型。S型彎曲的校直工藝非常復(fù)雜，在加工過(guò)程中應(yīng)盡量避免工件出現(xiàn)此類(lèi)情況[5]。例如，杜宗順對(duì)單弧度彎曲變形和多弧度彎曲變形中支撐點(diǎn)和打擊點(diǎn)的選擇進(jìn)行了探討。單弧度彎曲中，校直打擊點(diǎn)為彎曲變形最大點(diǎn)，支撐點(diǎn)對(duì)稱(chēng)分布于打擊點(diǎn)兩側(cè)較合適。對(duì)于多弧度彎曲變形，通過(guò)布置多個(gè)支撐，可將多弧度分解成多個(gè)單弧度變形[6]。

1.3 校直行程的計(jì)算和預(yù)測(cè)

校直行程的計(jì)算方法常用的有基于彈塑性理論的計(jì)算、基于有限元的計(jì)算以及基于經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算[7]。例如，翟華等人結(jié)合彈塑性力學(xué)理論和有限元法，提出了一種曲軸初始校直行程計(jì)算方法。陳明燈等人在校直行程預(yù)測(cè)中提出了一種改進(jìn)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，模型輸入為實(shí)時(shí)校直成功數(shù)據(jù)，模型輸出為校直行程，實(shí)際值與預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差為1.65%，提高了校直行程預(yù)測(cè)精度和校直效率[4]。

1.4 校直工藝決策研究現(xiàn)狀

隨著人工智能的快速發(fā)展，許多學(xué)者將多種智能算法如遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等運(yùn)用到校直理論研究中，選擇合理的生產(chǎn)工藝減小工件的彎曲變形。例如，杜宗順采用實(shí)例參數(shù)模型建立了一套智能化校直工藝決策流程，搭建工藝數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，提高了校直效率[2]。

2 軸類(lèi)零件校直設(shè)備的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 軸類(lèi)零件校直設(shè)備的工作原理與構(gòu)成

常用的軸類(lèi)零件校直設(shè)備的組成有壓直單元、驅(qū)動(dòng)單元、支撐單元、測(cè)量單元、控制單元和數(shù)據(jù)處理單元[8]。校直行程驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容量較大，輸出力大，但控制精度低。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的校直機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，定位精度高，但成本較高[9]。校直設(shè)備工件徑向跳動(dòng)測(cè)量方式有接觸測(cè)量和非接觸式測(cè)量。接觸測(cè)量方式采用微位移測(cè)量傳感器。非接觸式測(cè)量可使用激光位移傳感器檢測(cè)零件的撓度。自動(dòng)校直機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)上下料、自動(dòng)裝夾、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)測(cè)量以及自動(dòng)校直。有的自動(dòng)校直機(jī)還可自動(dòng)檢測(cè)裂紋。

國(guó)產(chǎn)自動(dòng)校直機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成通常有兩大類(lèi)。一方面，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為控制核心，觸摸屏顯示工作狀態(tài)，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)性能可靠性好，但難以用于多品種、多通道的檢測(cè)與校直。另一方面，使用工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡以及PLC等設(shè)備共同工作，可以實(shí)現(xiàn)多通道的高速數(shù)據(jù)采集和較復(fù)雜的校直決策[10]。

2.2 軸類(lèi)零件校直設(shè)備的主要類(lèi)型

常用的校直設(shè)備有手動(dòng)螺旋式壓力機(jī)、通用型的壓力機(jī)、液壓壓力校直機(jī)、全自動(dòng)精密校直液壓機(jī)和自動(dòng)校直機(jī)[11]。傳統(tǒng)校直工藝在校直工裝安裝完成后，通過(guò)手動(dòng)方式將壓頭移動(dòng)到工件上方慢慢增加行程，直至對(duì)應(yīng)的支撐受力。將這個(gè)行程坐標(biāo)值作為基本的校直行程，然后每次打擊增加一個(gè)固定的增量實(shí)現(xiàn)校直。

自動(dòng)校直機(jī)從主機(jī)結(jié)構(gòu)上可分為C型校直機(jī)和門(mén)型校直機(jī)[12]，外形如圖1所示。C型校直機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積較小，適用于超長(zhǎng)工件和大噸位產(chǎn)品。門(mén)型校直機(jī)主機(jī)采用封閉式框架結(jié)構(gòu)，校直效率高，定位誤差小，適用于較小工件和小噸位產(chǎn)品的校直。

圖1 軸類(lèi)零件校直機(jī)典型結(jié)構(gòu)

2.3 自動(dòng)校直設(shè)備的研發(fā)現(xiàn)狀

于曉平設(shè)計(jì)了一款全自動(dòng)校直機(jī)，采用C型框架，可實(shí)現(xiàn)軸的自動(dòng)上下料。目前，設(shè)備已應(yīng)用于中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)公司熱處理分廠，用于柴油車(chē)變速箱二軸的校直。工件初始彎曲量小于0.5 mm，經(jīng)校直后彎曲量小于0.05 mm，能實(shí)現(xiàn)4點(diǎn)測(cè)量和校正[7]。

丁蘇赤等人設(shè)計(jì)了一種基于S7-1200 PLC的自動(dòng)校直機(jī)控制系統(tǒng)。工控機(jī)裝有數(shù)據(jù)采集卡，帶有Access數(shù)據(jù)庫(kù)，能存儲(chǔ)大量不同工件的校直參數(shù)。它使用液壓驅(qū)動(dòng)方式，適用于小批量、多品種工件的校直[5]。

魏東坡等人研制了一臺(tái)小型軸類(lèi)零件智能校直機(jī)，由機(jī)架、PLC、計(jì)算機(jī)、電動(dòng)缸、傳感器、壓頭以及浮動(dòng)工作平臺(tái)等組成，使用激光位移傳感器檢測(cè)零件的撓度，使用迭代補(bǔ)償校直算法實(shí)現(xiàn)了零件的連續(xù)檢測(cè)和校直，具有較高的校直效率和校直精度[8]。

2.4 自動(dòng)校直設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀

很多企業(yè)也著力于研發(fā)軸類(lèi)零件校直設(shè)備，比較典型的有中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司設(shè)計(jì)的傳動(dòng)軸自動(dòng)校直機(jī)，如圖2所示。該校直機(jī)使用門(mén)型框架，具備自動(dòng)檢測(cè)、校直、智能化自學(xué)習(xí)以及遠(yuǎn)程診斷等功能[13-15]。例如，F(xiàn)JJMS2053-10校直機(jī)測(cè)量精度為0.001 mm，最大校直精度為0.1 mm。

圖2 傳動(dòng)軸自動(dòng)校直機(jī)

深圳信儀測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SSM-500-3-10汽車(chē)軸校直機(jī)使用3D線激光傳感器，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行三維掃描和數(shù)據(jù)重建，采用非接觸式測(cè)量獲取產(chǎn)品彎曲度和扭曲度，實(shí)現(xiàn)了柔性化和智能化校直，如圖3所示[16]。

圖3 汽車(chē)軸校直機(jī)

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)已有文獻(xiàn)和校直設(shè)備的研究及應(yīng)用情況，目前國(guó)內(nèi)軸類(lèi)零件校直機(jī)存在的問(wèn)題主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是由于零件的尺寸、材料不同，仍需要人工進(jìn)行工裝調(diào)試；另一方面是故障檢測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能還不完善。對(duì)于校直機(jī)的未來(lái)發(fā)展，需要提高校直機(jī)的精度、可靠性，降低校直設(shè)備成本。充分利用人工智能技術(shù)和關(guān)鍵參數(shù)強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)功能，優(yōu)化校直工藝決策，可解決校直機(jī)可校直的產(chǎn)品種類(lèi)和尺寸在不斷增多的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)智能化校直。此外，校直設(shè)備也將在故障診斷與處理能力方面進(jìn)一步發(fā)展。