電機(jī)機(jī)座加工自動化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)

西門子電機(jī)（中國）有限公司 陳遠(yuǎn)

本文介紹了一種電機(jī)機(jī)座加工自動化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)。通過對原生產(chǎn)線數(shù)控設(shè)備進(jìn)行自動化改造，新增加工中心、關(guān)節(jié)臂機(jī)器人、工業(yè)相機(jī)等設(shè)備，優(yōu)化夾具、刀具的設(shè)計(jì)，融合精益和信息化，形成高效率、中柔性、高開動率的自動化加工生產(chǎn)線。以合理的投資保持實(shí)現(xiàn)自動化獲得較大收益。

隨著中小型三相異步電動機(jī)新國標(biāo)的實(shí)施，IE3 能效將成為中國最低的三項(xiàng)異步電動機(jī)能效限定值。IE3 能效相對于IE2 能效生產(chǎn)，成本增加20%左右[1]。電機(jī)機(jī)座的加工設(shè)備作為固定投資份額占比最大的部分，對電機(jī)機(jī)座的制造工藝優(yōu)化、產(chǎn)線設(shè)計(jì)的自動化化提出了更高的要求，急迫的需要新設(shè)計(jì)高效率的自動化生產(chǎn)線以降低制造成本。根據(jù)上述要求對IE3-1TL0003-100/112 機(jī)座、IE3-1TL0003-132 電機(jī)機(jī)座手工線的制造工藝和數(shù)控設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化和自動化改造，設(shè)計(jì)完成了2 條高效率自動化生產(chǎn)線。

1 電機(jī)機(jī)座加工工藝分析

1.1 電機(jī)機(jī)座工藝內(nèi)容

電機(jī)機(jī)座加工內(nèi)容包括：2 端止口、鐵心檔、底腳面、底腳安裝孔、吊環(huán)螺紋孔以及出線口螺紋孔、吊環(huán)螺紋孔[2]。

1.2 電機(jī)機(jī)座加工工藝現(xiàn)狀

現(xiàn)有IE3 電機(jī)機(jī)座由外協(xié)進(jìn)行粗加工，鐵心檔、止口留有合適加工余量。

生產(chǎn)線采用數(shù)控立車車削鐵心檔及止口，一次裝夾同時完成鐵心檔和2 端止口的加工。配置有2 臺數(shù)控立車，2 臺立車加工內(nèi)容一致。立車配置手動夾具，鐵心檔余量1 次加工去除不進(jìn)行精加工，止口采用粗精加工2次加工完成。由銑鉆專機(jī)加工底腳面和孔，人工操作臺鉆攻絲機(jī)配合鉆模對安裝螺紋孔進(jìn)行加工。

人工負(fù)責(zé)物料搬運(yùn)、工件夾緊及孔系的加工，質(zhì)量控制也由人員進(jìn)行抽檢，人員數(shù)量多，勞動強(qiáng)度高，粉塵污染嚴(yán)重。

1.3 自動化設(shè)計(jì)規(guī)劃及工藝難點(diǎn)

1.3.1 自動化線的設(shè)計(jì)規(guī)劃

行業(yè)現(xiàn)有自動化的方案包括使用機(jī)器人、桁架機(jī)械手、智能機(jī)床等[3]。結(jié)合現(xiàn)有1TL0003-100/112、1TL0003-132產(chǎn)線現(xiàn)狀，保持產(chǎn)出不降低，采用下面措施進(jìn)行自動化產(chǎn)線改造設(shè)計(jì)：

（1）采用關(guān)節(jié)臂機(jī)器人配置工業(yè)2D 相機(jī)替代人工進(jìn)行物料搬運(yùn)和上下料；

（2）每條線采用2 臺加工中心替代人工鉆孔攻絲；

（3）配置液壓夾具替代原有的手動夾具；

（4）配置機(jī)內(nèi)測量對機(jī)座直徑尺寸進(jìn)行監(jiān)控；

1.3.2 工藝難點(diǎn)

為了保持現(xiàn)有IE3 加工效率，提高自動線的開動率，具體設(shè)計(jì)過程中碰到了一些難點(diǎn)問題，決定了自動化生產(chǎn)線能否順利實(shí)施：

（1）尺寸穩(wěn)定性不高、車削效率降低。IE3 機(jī)座鐵心檔車削1 次加工，此種效率高但刀具磨損過快，造成尺寸波動大，每班最多換刃3～4次，頻繁的換刀與測量報(bào)警會極大影響自動化的開動率；同時，1 次加工鐵心檔跳動受粗加工工件跳動影響大，對粗加工件質(zhì)量要求較高。為解決該問題，需要增加鐵心檔精車，但是加工時間翻倍，嚴(yán)重影響產(chǎn)線的產(chǎn)能；

（2）車削夾具剛性不足，效率提升受限。立車夾具為手動，且壓緊位置在機(jī)座下端，機(jī)座上端懸伸超過250mm。整體剛性不足，易引起震紋、鐵心檔、止口變形，加工參數(shù)上限受到限制；

（3）車床增加機(jī)內(nèi)測量影響節(jié)拍。原工藝采用人工對工件進(jìn)行線外抽檢，使用機(jī)內(nèi)自動測量后，對節(jié)拍時間產(chǎn)生較大影響；

（4）鉆孔銑底腳工序不平衡。配置了2 臺加工中心用于替代人工手動加工，由于機(jī)座加工內(nèi)容主要集中在圓周方向，2 端面的端蓋安裝孔則與圓周方向垂直，造成2 臺加工中心的節(jié)拍時間會產(chǎn)生不平衡。造成設(shè)備利用率不足；

（5）機(jī)座螺孔鐵屑的清理困難。機(jī)座內(nèi)外表面和螺孔內(nèi)部鐵屑的人工清理會嚴(yán)重影響線體的開動率，由于IE3-1A/1B/1C 機(jī)座號機(jī)座較重，且為多層出料，人工清理的勞動強(qiáng)度極大，占用了操作者的操作時間，使其效率降低影響自動線的開動率；

（6）兼容產(chǎn)品多。1TL0003-100/112 產(chǎn)線需兼容IE2IE3 系列不同長度100 機(jī)座，同時補(bǔ)充加工IE3-112 機(jī)座號機(jī)座。1TL0003-132 產(chǎn)線需兼容不同長度IE3 機(jī)座加工。在設(shè)計(jì)過程中需實(shí)現(xiàn)快速換型，降低換型時間。

如何有效解決上述問題成為此2 條生產(chǎn)線的關(guān)鍵。

2 自動化生產(chǎn)線的布局

自動化生產(chǎn)線增加了立式加工中心和臥式加工中心用于替代臺鉆攻絲機(jī)和底腳銑鉆專機(jī)，新增設(shè)備占地比原有設(shè)備占地?cái)U(kuò)大。同時，增加了必要的輔助設(shè)備和工業(yè)相機(jī)三軸，設(shè)備數(shù)量多。以節(jié)約用地為原則，兼顧人員操作和維修空間，整體布局需要細(xì)致考慮。

此生產(chǎn)線采用了視覺輔助帶地軌關(guān)節(jié)臂機(jī)器人取放工件，配置輔助設(shè)備用于輔助定位、清潔機(jī)座、抽檢以及廢品出料。布局保持了原有進(jìn)出料方式，同時占地增加較少，設(shè)備空間布置合理，兼顧了人員操作、設(shè)備維修和5S 管理。如圖1 所示。

圖1 自動化生產(chǎn)線實(shí)物圖Fig.1 Physical picture of automatic production line

3 自動化生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 關(guān)節(jié)臂機(jī)器人配合工業(yè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)自動化上下料

在此條生產(chǎn)線內(nèi)，根據(jù)公司物流的組織方式，采取了保持現(xiàn)狀多層進(jìn)料，出料根據(jù)庫存要求可以更改，更加柔性。配合三軸工業(yè)相機(jī)，實(shí)現(xiàn)多層物料取放，同時為了降低相機(jī)的復(fù)雜性，將機(jī)座來料錯誤的識別功能轉(zhuǎn)移至精定位平臺，相機(jī)僅保留了直徑大小識別功能。如圖2 所示。

圖2 視覺拍照系統(tǒng)Fig.2 Visual photographing system

采用帶地軌的行走關(guān)節(jié)臂機(jī)器人，更好的適應(yīng)現(xiàn)有設(shè)備布局，使得設(shè)備整體占地大幅度減小。

3.2 新刀具、夾具應(yīng)用提升車削效率與尺寸穩(wěn)定性

3.2.1 創(chuàng)新刀具設(shè)計(jì)，優(yōu)化刀片選型

對鐵心檔粗車刀具進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，同時根據(jù)鐵心檔粗糙度要求優(yōu)化了精車刀片選型，使得粗車F 值、精車F 值提升1 倍左右。優(yōu)化后鐵心檔2 次加工（粗精加工各1 次）比1 次加工節(jié)拍降低20%，尺寸穩(wěn)定性大幅度提高，有效提高了自動線的開動率。目前，精車刀片1 個刃口壽命達(dá)到1.5 個班次。從另一個角度來看，加工節(jié)拍的縮短為機(jī)內(nèi)測量預(yù)留了時間，使機(jī)內(nèi)測量對產(chǎn)出的影響降到最低。

3.2.2 設(shè)計(jì)液壓自定心夾具

夾具采用特殊壓頭，使得機(jī)座變形減小。快速換型結(jié)構(gòu)以適應(yīng)1A 不同長度機(jī)座切換、1A 與1B 跨機(jī)座號快速切換；夾具使用動平衡儀調(diào)節(jié)動平衡量使切削轉(zhuǎn)速上限提高；夾具整體采用框架結(jié)構(gòu)，改善壓緊點(diǎn)位置，由下端轉(zhuǎn)移至上端，提高了整體剛性，改善了機(jī)座高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下機(jī)座震動及變形，降低震紋提高了切削參數(shù)上限。如圖3 所示。

圖3 創(chuàng)新刀具及夾具應(yīng)用Fig.3 Innovative tool and fixture application

3.3 加工中心夾具設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工序平衡

設(shè)計(jì)了OP3 立式加工中心液壓夾具使得底腳孔、2端端面孔以及吊環(huán)孔可以在同一臺設(shè)備加工完成，OP2加工中心用于加工底腳面和出線口孔，實(shí)現(xiàn)平衡了2 臺加工中心的加工節(jié)拍，使得生產(chǎn)線整體效率得到提升。如圖4 所示。

圖4 OP3 立式加工中心Fig.4 OP3 vertical machining center

3.4 輔助設(shè)備及中心出氣主軸提升線體開動率

在這條自動線內(nèi)增設(shè)了單獨(dú)的吹氣清理設(shè)備，主要用于清理機(jī)座內(nèi)外表面的鐵屑。與可能存在的液體清洗設(shè)備對比，降低了設(shè)備成本和清洗劑消耗以及人工頻繁換液的成本。同時避免將清洗的重要工作分散由操作者單獨(dú)處理、監(jiān)控造成的噴漆質(zhì)量問題。針對螺紋孔內(nèi)部鐵屑清理，嘗試了2 種方案，首先是外部設(shè)置氣嘴，機(jī)器人抓取機(jī)座模擬人工使用氣槍清潔吹氣；其次是加工中心配置主軸中心出氣功能，實(shí)際結(jié)果使用主軸中心出氣效果更好。主軸中心出氣使得在加工過程中即可使用高壓空氣將鐵屑排出，節(jié)省了機(jī)器人動作時間、外部設(shè)備配置成本，同時提高了絲錐的使用壽命。

同時進(jìn)出料每層之間的木質(zhì)隔板取放，在此生產(chǎn)線中也由機(jī)器人自動操作完成。如圖5 所示。

圖5 隔板自動抓取系統(tǒng)Fig.5 Automatic clamping system of diaphragm

4 生產(chǎn)線的信息化

機(jī)內(nèi)測量的應(yīng)用使得自動化得以成功實(shí)現(xiàn)，同時極大提高了自動線的開動率。通過對機(jī)內(nèi)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、監(jiān)控并進(jìn)行圖形展示，使操作者對刀具的使用狀態(tài)充分了解，使其能及時進(jìn)行刀具更換。尺寸檢測數(shù)據(jù)后上傳至服務(wù)器，方便質(zhì)量部門對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控和分析。同時加工設(shè)備內(nèi)部增加了刀具折斷監(jiān)控功能，使得漏序得以及時被發(fā)現(xiàn)。

5 結(jié)語

通過對加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，配置帶地軌關(guān)節(jié)臂機(jī)器人、工業(yè)相機(jī)及輔助裝備，應(yīng)用機(jī)內(nèi)測量使得高效率IE3機(jī)座自動化生產(chǎn)線得以完成建設(shè)，并投入使用，以實(shí)現(xiàn)下面目標(biāo)：

（1）2 條生產(chǎn)線人員合計(jì)減少到每班次僅需要1人，人員數(shù)量下降75%；

（2）生產(chǎn)線節(jié)拍時間5min/臺，不含機(jī)內(nèi)測量加工時間比原有IE3 降低20%，含機(jī)內(nèi)測量節(jié)拍時間與原有相比未增加時間。

（3）節(jié)拍均衡，利用率平均，線體開動率較高；

（4）不同長度換型時間30min，100 切換112 換型時間4h；

（5）2 條線體布局合理，合計(jì)占地面積為13m×16m，面積僅擴(kuò)大僅5%。

引用

[1] 鄧雅靜.電機(jī)新能效標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施,助力多個行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)[J].電器,2021(7):10-11.

[2] 龔垌.電機(jī)制造工藝學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1983.

[3] 顧德軍,陳翔,馬莉.電機(jī)軸智能制造方案[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2020,47(10):74-79+109.