箱体类零件敏捷柔性生产线的设计

郑金来,王德权,熊昌秀,丁　玲

(1.大连工业大学，辽宁 大连　116034； 2.江苏高精机电装备有限公司，江苏 盐城　224053)



箱体类零件敏捷柔性生产线的设计

郑金来1，2,王德权1,熊昌秀2,丁玲2

(1.大连工业大学，辽宁 大连116034； 2.江苏高精机电装备有限公司，江苏 盐城224053)

介绍为解决复杂箱体类零件小批量、大批次、多品种加工，设计了由标准加工中心、双面卧式柔性加工中心、双面数控铣床组成的敏捷柔性生产线。该柔性线的配置特点：零点定位系统、智能重型桁架机械手技术和MES系统控制、以及双面卧式柔性加工中心技术。柔性线的投产使用达到了用户要求，为以后公司生产线设计制造提供了设计资料，积累了经验。

敏捷柔性生产线；双面卧式柔性加工中心；重型桁架机械手；MES系统

0　引言

柔性制造技术是现代先进制造技术的统称，它集自动化技术、信息技术和加工技术于一体，把以往工厂中相互孤立的设计、制造、管理过程，在计算机及其软件和数据库的支持下，构成一个覆盖整个企业的有机系统。其在汽车行业的应用，能使汽车的换代周期由15年缩短至不到5年，设备利用率提高80%以上，生产场地减少50%以上，生产成本降低60%，代表了21世纪汽车制造的前沿技术。

现代化工业的发展，使产品的生命周期越来越短，这要求缩短产品生产周期，降低成本，提高性能，适应不断变化的市场需求。大批大量生产只占机械制造业的15%～25%，而中、小批量生产占75%～85%。市场竞争和客户的个性化需求使多品种，中、小批量生产所占的比重越来越大。同时, 计算机技术的飞速发展, 加工中心、数控机床的普及，使加工具有更大的灵活性，更适合中、小批量和多品种的生产，为柔性制造系统的发展带来了广阔的空间。柔性线的构成和应用形式将更加灵活和多样化，其总体结构将向模块化、通用化、敏捷性、硬软件功能兼容和可扩展的设计技术方向发展。

我国有许多科研院所和企业都开发出了柔性生产线。但这些柔性线产品无论在设备的柔性化、智能化还是在生产线的敏捷性、可靠性等方面都与国外的产品存在差距。

本文结合我们为某企业设计制造的箱体柔性生产线，介绍在自动线生产现场加工、物流、工件的装卸、工装快速更换等方面，应用新工艺、新技术和控制手段，使生产线高效、快速、准确、敏捷。

1　工件加工流程及设备配置

按照用户要求，这条柔性加工生产线适应后桥壳体和变速箱体两种零件的加工，加工节拍：40分/件，机床数量先期定为7台，并预留两个工序备用。零件加工前是毛坯，要求完成所有的机加工内容。零件简图如图1、图2所示。

图1　后桥壳体

图2　变速箱体

这两种箱体结构复杂，加工内容繁多：不仅加工外形六个面及面上各孔，还有内腔面及各孔以及斜面上的各深孔加工。特别是拨叉孔系，在两层内墙面上，孔直径为φ18mm,孔深320mm,要求同轴度φ0.04mm，须采用多种工步。零件工序太多，若采用标准加工中心组成生产线不能满足用户要求，经过多次讨论和周密计算，制定了由标准加工中心、双面卧式柔性加工中心、双面数控铣床组成的柔性生产线，配置见表1。

表1　零件加工工艺流程及设备配置

2　柔性线的物流输送

柔性线的物流输送计划采用桁架机械手。工件的重量约45kg,夹具的重量约1.1t，标准卧加工作台的重量2t。现场物流有两种：一种是正常加工过程中工件的输送，一种是更换加工零件时夹具的输送。标准卧加更换夹具时和工作台体一起更换，总重量约3.1t。因此决定采用轻、重型两种不同机械手共用X向驱动轨道，实现工件、工装夹具的更换。箱体柔性线平面布置图如图3所示。

3　柔性线配置特点

(1)加工中心与数控专机柔性联线技术

根据工件的工艺特点，利用多台卧式加工中心进行工艺基准与复杂倾斜面的加工，利用数控专机进行工件的大余量快速加工，利用多台双面卧式柔性加工中心进行工件各面及孔系的加工，同时预留相关工位进行工艺能力平衡。由于采用数控专机与双面卧式柔性加工中心，比普通仅采用标准卧式加工中心的柔性线效率提高可达45%以上。当加工规模与工件品种发生变化时，可以通过增减卧式加工中心与双面卧式柔性加工中心的数量来适应。

图3　箱体柔性线平面布置图

(2)智能重型桁架机械手技术

机械手采用模块化设计，采用轻、重型两种不同机械手共用X向驱动轨道，抓取过程中自动选取机械手规格以及合适的参数，能适应多品种工件的快速输送与自动更换，还可实现夹具、工作台等部件的自动切换，提高了自动线的柔性化程度；采用独特的双齿轮啮合齿条传动方式，不仅传动精度高，而且平稳性好，最大提升能力可达4t；每个机械手装有类型识别装置，防止机械手错抓产品，导致撞击损失。轻型机械手抓取工件，共两个手爪，一个负责上料，另一个负责卸料；重型机械手用于更换夹具和标准卧加的工作台。桁架机械手简图见图4。

图4　智能重型桁架机械手简图

(3)双面卧式柔性加工中心技术

该加工中心采用双面卧式对称结构，机床中间配数控移位工作台，工作台左右侧各配一套三坐标精密柔性制造单元，可方便进行工件装夹及夹具的更换，工件通过数控移位工作台移动到位后锁紧，由两侧的加工单元从两侧同时对工件进行加工，能提高加工效率，保证加工质量，实现多品种工件的高效连续对称加工。有以下技术特点和创新点：

采用主轴高转速与丝杆高速传动技术。参照电主轴的结构设计，采用油气润滑方式，主轴经过动平衡处理，使用直径大于100mm的轴承，结合公司的一种主轴轴承的调整结构专利技术，利用主轴的内冷、外冷技术，使主轴具有良好的动平衡性、刚性和热稳定性，能承受较高的离心力，主轴最高转速达到12000r/min。通过加大丝杠导程和增加螺纹头数，提高丝杠进给速度与承载能力，使用空心丝杠减少丝杠重量和惯量，对丝杠进行内冷减少热影响，丝杠快移速度可达48m/min。

单元X、Y、Z坐标的丝杆采用中空冷却机构，利用冷却液在丝杠中心孔内循环流动，带走丝杠高速转动产生的热量，减少热变形，提高传动精度。采用循环内冷技术与机床主轴的冷却方式技术，有效控制主轴高速转动时温度变化，保证主轴高速加工时的精度。通过在设备关键部位安装温度、位置传感元件，利用数控系统分析并补偿坐标的位置实现精密加工，加工单元的定位精度与重复定位精度分别可达8μm和4μm，主轴对称加工时，其同轴度可达0.01mm。

加工中心配备主副刀库：主刀库采用标准刀库，安装标准刀具；同时配置专用刀库，可实现非标刀具的自动换刀。

采用有限元分析方法，针对设备各种工况进行静、动力学分析，热应力分析以及运动分析，获得设备整机、导轨、丝杠、主轴、齿轮和轴承等关键零部件的特性参数，采用三坐标模块式结构与箱中箱结构对设备主体进行优化，使加工单元具有足够的静刚度和刚度重量比，提高设备高速加工时的随动性能。通过模态分析研究高速加工时无阻尼的自由振动，得到振动系统的固有频率和振型，在设计和使用时避开这些频率或减小对这些频率的激励，以消除或降低过度振动和噪音影响。

(4)快换组合夹具，采用零点定位系统，实现夹具的快速更换，重复定位精度达±3μm。

(5)远程监控与故障预警技术

通过对柔性线中的加工设备、工件流、夹具流、刀具流等进行数据采集、传输、分析、对比、显示，实现对自动线的在线监控，同时将对比分析结果与故障库进行拟合，实现对全线的故障预警；

(6)MES系统

生成线采用MES系统管理。生产执行MES系统可监控从原材料进厂到产品成品入库的全部生产过程，记录生产过程产品使用的材料、设备，零件检测数据和结果以及零件在每道工序上加工时间、人员等信息，实现生产过程设备、工位、在制品的可视化管理，为企业的生产决策层提供准确的生产数据信息。

目前，该生产线已正常使用，双面卧式柔性加工中心双面对称加工时同轴度可达±0.01mm，桁架机械手输送精度达0.1mm/M，快换组合夹具的定位精度达±5μm，试切壳体类零件时，工件孔精度达±2μm，平面度达±0.01mm/300mm。零件加工精度、加工节拍均达到要求。机械手重复定位精度达±0.3mm,更换夹具时间<180s。

4　结论

该自动线由加工中心、数控专机、重型桁架机械手、在线检测系统和智能管控系统组成，具有信息集成度高、品种切换快、性价比高等特点，主要用于汽车发动机缸体、缸盖以及变速箱壳类零件的多品种、小批量、大批次生产，具有快速、高精度、高效率、柔性、敏捷性等特点。并可扩展到其他机械产品的加工。全线数控装备数量>85%，设备使用率>90%，全线工件品种切换时间2h、最多可兼容10种规格工件加工、整条线设备能力指数Cmk值≥1.67，MTBF≥2000h。

箱体柔性线的研制成功，为以后公司在敏捷柔性生产线设计制造提供了宝贵的资料和经验。

[1] 顾克辉，王家兴，孔祥．通过自动化加工生产线来发展零件的高效加工集成技术 [J]．金属加工(冷加工)，2012(16)：17-19．

[2] Andreas Mittermuller,Holger Hertsch．柔性加工生产线[J]．现代制造，2004(21)：30-31．

[3] 孙杰．浅议柔性生产线的产生与应用 [J]．科技资讯,2010(35):33-33．

[4] Derek Korn．柔性加工中心胜任专业任务[J]．现代制造,2008 (7)：44-44．

[5] 吴平．高速加工中心组成的敏捷柔性生产线的研制和应用[J]．组合机床与自动化加工技术,2009(5):78-81.

[6] 周正干．高速加工中心的核心部件及其关键技术 [J]．机床与液压，2000 (6)：53-56．

[7] 张洁，石柯，王焱清，等．敏捷企业的组织管理模式及其生产制造系统[J]．机电一体化，1999(2)：26-28．

[8] 单汩源，高阳，陈荣秋．敏捷制造系统体系结构研究[J]．中国机械工程，2000,11(6)：687-691．

[9] 高振清，周本华．数控车间DNC与MES集成技术研究与系统开发[J]．组合机床与自动化加工技术,2011(8):105-107．

(编辑李秀敏)

The Design for Agility Flexible Production Line of Box-type Part

ZHENG Jin-lai1,2, WANG De-quan1, XIONG Chang-xiu2, DING Ling2

(1.Dalian Polytechnic University,Dalian Liaoning 116034,China;2.Jiangsu Gaojing Mechanical & Electrical Equipment Co.,Ltd.,Yancheng Jiangsu 224053,China)

The design for agility flexible production line which is composed of standard machining center, double-sided horizontal flexible machining center and double-sided CNC milling machine resolves box type parts in small lot production, mass production and multi-species mixed production. Present the feature of flexible production line configuration: zero positioning system, technology of intelligent heavy truss manipulator, MES system control and technology of double-sided horizontal flexible machining center. Flexible production line put into production meets customer requirement, which provides design data and experience for enterprise in subsequent production line design and manufacture.

agility flexible production line;double-sided horizontal flexible machining center;heavy truss manipulator;MES system

1001-2265(2016)09-0132-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.038

2016-06-20;

2016-07-29

郑金来(1967—)，男，江苏盐城人，江苏高精机电装备有限公司高级工程师，大连工业大学硕士研究生，研究方向为机械制造工艺与设备，(E-mail)gjzb-zjl@vip.163.com。

TH122;TG65

A