汽車輪轂潔凈加工生產線設計

李長河，陳民凱，秦愛國，劉宗毅，趙同濤

1.青島理工大學 山東青島 266520

2.青島卡沃斯智能制造有限公司 山東青島 266100

3.力鼎智能裝備（青島）集團有限公司 山東青島 266061

4.山東金利特橋箱有限公司 山東濰坊 262501

1 序言

綠色發(fā)展是國際大趨勢。當前環(huán)境和資源問題成為人類的共同挑戰(zhàn)，針對如何實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展已達成共識，綠色制造無疑是工業(yè)升級轉型的必經之路。發(fā)展綠色制造技術，有利于緩解當前環(huán)境資源約束問題，有利于新經濟增長點快速培育，而且對加速經濟發(fā)展方式轉變、推動工業(yè)轉型升級、新舊動能轉化及提升制造業(yè)國際競爭力具有深遠歷史意義。

我國汽車行業(yè)不斷地發(fā)展，國內汽車的銷量數(shù)次刷新全球記錄，一直位于世界第一的銷量水平[1]。但在我國汽車行業(yè)迅速發(fā)展的同時，汽車輪轂傳統(tǒng)生產線在加工過程中大量使用礦物油切削液，造成了資源浪費、環(huán)境污染和危害操作人員健康等問題。據調查，一家中小型汽車輪轂生產廠家每年消耗的潤滑液高達65萬t，用于潤滑液采購、廢液處理等方面造價高達300余萬元，且存在工作環(huán)境出現(xiàn)臟、亂、差等問題。因此，在改造生產線實現(xiàn)自動化的同時，必須保證汽車輪轂的潔凈生產，使?jié)崈羯a與自動化生產完美結合是未來生產的必由之路[2，3]。

隨著國際社會對綠色制造的支持，綠色冷卻潤滑方式也得到了發(fā)展，干式加工[4-6]在機械加工中的成功應用為綠色加工開啟了新的道路，但由于缺少切削液的直接潤滑，導致想要達到與澆注式潤滑相同的加工質量就必須保證刀具的韌性、硬度和耐磨性，這使得干式加工受到刀具限制，且加工過程中由于沒有介質參與，排屑和換熱性能不足，不可避免地造成工件表面出現(xiàn)燒傷情況。隨著學者們的深入研究，提出了低溫冷卻技術[7-10]。低溫冷卻技術是將低溫氣體介質噴射到切削區(qū)對切削區(qū)進行降溫，起到冷卻作用，達到加工要求。學者們進行大量試驗探究低溫冷卻技術在車削、銑削等多種加工形式中的冷卻效果[11]。試驗表明，低溫冷卻潤滑得到的工件質量、刀具壽命和潤滑性能均優(yōu)于干式切削，但與澆注式潤滑相比，成本相差無幾，且可能導致加工過程中氧氣含量降低引起工人窒息，與綠色發(fā)展、保證人體健康沖突，需進一步發(fā)展研究[12-14]。繼干式切削之后，提出了介于澆注式切削與干式切削的微量潤滑技術[15-18]，最小限度地使用切削液，保證加工質量。微量潤滑技術是在高壓氣體中加入微量潤滑油，借助高壓氣流，將微量潤滑油霧化后注入高速切削區(qū)，進行冷卻潤滑和切屑排出。微量潤滑油采用具有極好的生物降解性能的植物油作為基礎油，極大地改善了工作環(huán)境，降低了對環(huán)境的污染，保證了工件加工質量[19-21]。將靜電場等多能場耦合到加工過程中會起到更好的潤滑效果[22-23]。因此，將微量潤滑結合到生產線之中已成為必然選擇。

由于傳統(tǒng)生產線存在自動化不足的問題，而自動化不足也限制了潤滑工況的改善，無法達到微量潤滑與生產要素同步的要求，因此需對生產線整體進行改進。隨著汽車銷量的增長，對輪轂的生產效率提出了進一步要求，增強生產線智能化也是行業(yè)發(fā)展的必然選擇。而汽車輪轂作為汽車的重要零部件，其精度、圓度和同軸度對汽車使用壽命、行車穩(wěn)定性和駕駛員的安全有著重大影響[24]。因此，生產線智能化的改造不僅需要提高生產效率，而且需要保證輪轂生產的質量。但我國輪轂生產廠家規(guī)模不一，輪轂機加工大部分依舊采用人工配合機床加工完成生產，大量使用人力，造成生產效率低、成本高、產品性能不穩(wěn)定，極大制約了輪轂行業(yè)的發(fā)展。部分生產廠家嘗試進行智能自動化生產線改造，但國內企業(yè)缺乏自己的核心技術，智能生產線成本較高，使得生產廠家無力更新設備。

面對輪轂生產的需要，我國開始著手組建汽車輪轂的自動化加工生產線。汽車輪轂加工的柔性自動化生產線需實現(xiàn)多規(guī)格、多尺寸和變批量的輪轂生產，滿足輪轂上下料、粗加工、半精加工、精加工及鉆孔等方面的加工自動化流水作業(yè)[25]。由于輪轂加工的多樣性，眾多學者對輪轂加工過程進行了研究。傳統(tǒng)的輪轂加工需更換不同工裝設備來完成不同類型輪轂的加工[26]，降低了生產效率，增加了成本，面對輪轂多規(guī)格、多尺寸的生產模式，對輪轂夾具進行改進是自動化柔性生產加工的大勢所趨，劉德偉[27]對輪轂柔性夾具進行了設計與分析，通過旋轉機構帶動連桿實現(xiàn)不同半徑輪轂的夾緊，并對夾具進行夾緊力和定位誤差分析。梁盈富等[28]對汽車輪轂生產線中智能制造系統(tǒng)總體框架進行了設計，將MES系統(tǒng)和PLC技術與機床機器人相結合。輪轂自動化柔性生產線從柔性加工的夾具，到加工過程中的檢測，再到整條生產線與物聯(lián)網結合，其智能化已經得到長足的發(fā)展。

綜上所述，生產線設計應解決以下問題：①輪轂的種類繁多，規(guī)格尺寸不同，往往需要不同的加工設備來完成生產。②加工單元采用島式布局，各單元之間加工連續(xù)性不足。③澆注式潤滑工況在加工過程中飛濺的潤滑液會污染環(huán)境，影響工人健康。④上下料采用人工，使得成本增加、效率下降。汽車市場對輪轂的需求量巨大，以上問題亟待解決。因此設計了汽車輪轂潔凈加工生產線，實現(xiàn)輪轂的上下料、機加工的自動化作業(yè)，并加裝微量潤滑裝置來解決污染問題。

2 生產線整體方案設計

2.1 工藝優(yōu)化設計

汽車輪轂加工的柔性自動化生產線需實現(xiàn)多規(guī)格、多尺寸和變批量的輪轂生產，滿足輪轂的上下料、粗加工、半精加工、精加工及鉆孔等方面加工的自動化流水作業(yè)。將輪轂機加工分為5道工序，其規(guī)程設計見表1，汽車輪轂加工需進行粗車、半精車和精車加工，將車削分為4道工序，鉆孔在加工中心上進行，作為一道工序[29]。

表1 輪轂加工工藝規(guī)程設計

2.2 生產線整體布局

從工藝流程出發(fā)，對上下料裝置、機床夾具和生產工況進行整體設計，設計出的輪轂潔凈生產線如圖1所示。由4臺立式車床和1臺加工中心完成輪轂5道工序的加工，5臺機床成兩排布局，通過3臺上下料機械手完成機床與輥道、輥道與輥道之間的物料傳輸。5臺機床和3臺機械手組成一個加工單元，車間可布置多個加工單元，通過上料裝置進行統(tǒng)一上料。國內現(xiàn)有輪轂加工生產線多為人工搬運上料，既降低了生產效率，又增加了生產成本，因此采用設計出的自動化上料裝置，實現(xiàn)生產線的自動上料。

圖1 汽車輪轂潔凈生產線

3 產線主要部分設計

3.1 夾具柔性設計

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，輪轂呈現(xiàn)出多樣化的特征，而現(xiàn)有夾具柔性化程度不足，加工不同規(guī)格的輪轂需更換夾具，嚴重制約了輪轂的自動化生產。為解決該問題，學者對現(xiàn)有輪轂夾具進行了柔性設計與分析，但與生產線的聯(lián)系不夠密切。為適應自動化生產線的需求，設計了一款自動化輪轂夾具，其結構如圖2所示。為解決重復定位精度問題，設置有自定位裝置提高定位精度；為滿足輪轂多尺寸柔性加工，夾緊爪收緊方式通過曲柄滑塊機構實現(xiàn)，活動平臺可進行軸向調節(jié)。自定位裝置包括3個定位塊、連桿、連接架和上下兩部分組成的軌道架。夾緊部分包括固定平臺、活動平臺和由連桿機構連接的夾緊爪。

圖2 夾具結構

自定位裝置實現(xiàn)夾緊前的定位，為夾緊提高更好的定位精度，有利于減小重復定位誤差。以輪轂底平面為主要定位基準面，活動平臺限制輪轂X、Y軸轉動和Z軸移動，在氣缸的驅動下，通過連桿機構帶動3個定位塊同時向外運動，限制輪轂的X、Y軸轉動，實現(xiàn)對輪轂的自定位；固定平臺與機床相連接，夾緊爪的移動由第一氣缸控制，第一氣缸通過曲柄滑塊機構將垂直的驅動力轉換成水平的徑向力，夾緊爪在徑向力的作用下沿固定平臺徑向移動，對輪轂進行徑向夾緊；第二氣缸帶動活動平臺在Z軸移動，配合夾緊爪對輪轂進行軸向夾緊。

在加工時，夾緊力既要保證不破壞工件，又要保證加工的正常進行[4]。最小夾緊力為保證加工過程中汽車輪轂不因切削力發(fā)生位移偏轉的夾緊力。氣缸需對夾緊爪提供一個最小夾緊力保證加工的正常運行。加工時，夾緊爪與輪轂發(fā)生位置偏移，對輪轂產生的摩擦力，摩擦力與力偶相對，從而達到靜力平衡，靜力平衡條件為

式中，M為主切削力作用在輪轂上產生的力偶（N·m）；f2為摩擦力（kN）；d為摩擦力作用點到輪轂內孔中心的距離（mm）。

夾緊時的摩擦力是由單個夾緊力產生，刀具與輪轂接觸產生的主切削力作用在輪轂上，形成力偶

式中，μ為定位爪下表面與輪轂凸緣表面間的摩擦系數(shù)；F2為單個拉臂給的夾緊力（kN）；Fz為主切削力（kN）；R2為輪轂半徑（mm）。

設定機床加工鋁合金輪轂時的參數(shù)：轉速2500r/min，切削深度4mm，工件直徑580mm，進給量0.5mm/r，切削長度為400mm。計算切削速度

主切削力可由式（5）計算得出[30]。

式中，Cfz為刀具材料有關的系數(shù)；ap為切削深度（mm）；f為進給量（mm/r）；Kfz為切削力修正系數(shù)；xfz、yfz、zfz為切削參數(shù)指數(shù)。

由此計算出最小夾緊力

式中，K為安全系數(shù)，粗加工時取2.75，保證夾緊力大于Fmin即可夾緊。

3.2 微量潤滑裝置

在《中國制造2025》中提出了推動制造業(yè)朝智能、綠色、高端等創(chuàng)新驅動方向發(fā)展。綠色加工是國際大趨勢，在這種國際大趨勢的推動下，輪轂生產線從澆注式轉變?yōu)槲⒘繚櫥降募庸すr成為必然。傳統(tǒng)的澆注式潤滑使用大量的礦物油切削液，污染環(huán)境、危害工人的健康且切削液的使用和處理費用昂貴，而微量潤滑使用的切削液為植物油基切削液，具有良好的降解能力。微量潤滑從澆注式的60L/h降至30～100mL/h[6]，不僅減少了浪費，而且加工效果有所上升。

對生產線進行微量潤滑裝置的改造成為必然選擇，微量潤滑裝置結構如圖3所示，其懸掛式安裝在機床上，為輪轂加工提供微量潤滑工況。用微量潤滑裝置代替原有的澆注式潤滑裝置，并根據機床加工的主軸轉速對微量潤滑裝置的注油量進行調整，這樣既增強了潤滑效果，又降低了成本和污染。

圖3 微量潤滑裝置結構

3.3 上下料機器人軌跡規(guī)劃與效率

上下料機器人負責各個加工機床之間及機床與輥道之間的物料傳輸，對生產線的加工效率有很大的影響。機器人結構如圖4所示，包括現(xiàn)有機械臂和機械手，機械手具有兩個抓取輪轂的位置，通過機械臂轉動配合完成具有連續(xù)性的上下料，從而節(jié)約時間，提高加工效率。

圖4 上下料機器人結構

輪轂機械手搬運軌跡復雜，為避免機床與上下料機械手發(fā)生碰撞，對機械手進行軌跡規(guī)劃尤為重要。以第一立式機床和第二立式機床之間的物料搬運為例，上下料機器人需示教的點為9個——1個pHome點、1個過渡點、3個避障點、1個定位裝置抓取點、1個機床抓取點和2個機床放置點。機械臂通過偏移指令完成3個避障點之間的搬運，具體如圖5所示。上下料流程在階段1～階段6之間循環(huán)，其中pHome點、過渡點和避障點之間采用關節(jié)插補運動，以空載最大運行速度v空載max和滿載最大運行速度v滿載max運行；避障點和抓取點、放置點之間采用直線插補運動，以空載最小運行速度v空載min和滿載最小運行速度v滿載min運行。

圖5 機器人手部TCP軌跡規(guī)劃

通過Robotstodio進行仿真，行動軌跡表明上下料機器人可以達到預期運行效果，以機器人代替人工搬運，提高了工作效率。通過TCP軌跡跟蹤，可判斷是否產生碰撞和干涉，節(jié)省實際調試時間避免意外。軟件運行后，輪轂在輥道和各個機床之間平均搬運時間為27s，而在傳統(tǒng)車間中，輪轂和機床間的上下料通過人工完成，平均搬運時間約為33s，上下料效率提高了

4 結束語

根據我國對輪轂生產的重大需求，針對自動化輪轂生產線組建的迫切要求，設計了汽車輪轂潔凈加工生產線。通過對輪轂生產的加工工藝進行規(guī)劃，對輪轂生產線進行整體設計，將各個生產單元通過上料裝置實現(xiàn)并聯(lián)；對輪轂夾具進行設計，實現(xiàn)對輪轂的自定位和柔性夾緊，并提高了重復定位精度，為輪轂加工提供保障；對加工機床進行改進，安裝微量潤滑裝置，可根據機床不同的轉速，對機床進行不同的供液，既可保證加工的精度與質量，又能減少資源浪費。設計方案通過虛擬仿真，對系統(tǒng)運行軌跡做出規(guī)劃，模擬輪轂自動化生產過程，提高工作效率，為實際生產提供理論依據，實現(xiàn)輪轂潔凈自動化加工。