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結(jié)合目前汽車制造業(yè)的高速發(fā)展，隨著企業(yè)用工成本上升及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的要求，單純?cè)O(shè)備性能的提高，為提高生產(chǎn)率所帶來(lái)的貢獻(xiàn)是非常有限的。只有制造模式和管理模式的變革，才能讓生產(chǎn)率得到飛躍式的提高。集自動(dòng)化、柔性化和智能化于一身的制造模式將是今后制造業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。

下文中提到的自動(dòng)生產(chǎn)線是由高精度數(shù)控車床、高精度雙主軸數(shù)控車床、精密滾齒機(jī)、桁架自動(dòng)機(jī)械手上下料、工件姿態(tài)調(diào)整裝置、物流系統(tǒng)、檢測(cè)裝置等組成。整條線的齒輪、輸入輸出軸工序內(nèi)容分為：熱處理前精車、滾齒、熱處理后精車三道工序，均采用桁架機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)上下料加工。生產(chǎn)線附加信息化生產(chǎn)管理系統(tǒng)與智能化監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)立總控室，具有生產(chǎn)任務(wù)管理支持、質(zhì)量信息采集與分析監(jiān)控、生產(chǎn)線裝備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控及快速處理等功能，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備互聯(lián)與集中控制，為創(chuàng)建數(shù)字化工廠打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1 桁架機(jī)器人

技術(shù)方案設(shè)計(jì)

該自動(dòng)化生產(chǎn)線加工工件為汽車變速箱齒輪、輸入輸出軸。生產(chǎn)線要求兼容三種齒輪、兩種輸入軸、兩種輸出軸。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為：年產(chǎn)鐵路軸承12萬(wàn)套(以每班次7?h、每天3班、每月22天計(jì)算)。自動(dòng)生產(chǎn)線平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間(MTBF)1000?h以上。3種齒輪最長(zhǎng)加工節(jié)拍包括裝卡時(shí)間共計(jì)130?s，4種軸最長(zhǎng)加工節(jié)拍包括裝卡時(shí)間共計(jì)150?s。

按照自動(dòng)生產(chǎn)線要求：集成精車、滾齒各工序加工，兼容三種不同規(guī)格的變速箱齒輪，四種不同規(guī)格的輸入輸出軸，同時(shí)考慮實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人化運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)生產(chǎn)線在配置車床、滾齒機(jī)的基礎(chǔ)上，增加集輸送、翻轉(zhuǎn)、抽檢一體的自動(dòng)物流系統(tǒng)，工件的轉(zhuǎn)序使用桁架機(jī)械手進(jìn)行上下料。

圖2 變速箱齒輪自動(dòng)生產(chǎn)線

根據(jù)大批量加工要求，制定如下加工工藝(圖2)：

1.變速箱齒輪加工工藝流程(采用高精度雙主軸數(shù)控車床)

熱處理前工序：OP10車床1#主軸(后拉卡盤)夾持外圓——半精車內(nèi)孔、右端面——精車內(nèi)孔、右端面——OP10車床2#主軸(后拉/漲套卡盤)夾持內(nèi)孔——半精車外圓、左端面——精車外圓、左端面——OP20滾齒機(jī)夾持內(nèi)孔——精密滾齒(完成后人工轉(zhuǎn)熱處理車間)。

熱處理后工序：OP30車床1#主軸(節(jié)圓卡盤)夾持外圓——精車內(nèi)孔、右端面——OP20車床2#主軸(后拉/漲套卡盤)夾持內(nèi)孔——精車左端面。

2.變速箱輸入軸加工工藝流程(采用帶伺服尾座的高精度數(shù)控車床)

熱處理前工序：OP10車床尾座頂緊工件、主軸(后拉卡盤)夾持外圓——半精車一側(cè)外圓、端面、各檔槽——精車外圓、右端面、各檔槽——OP20車床尾座頂緊工件、主軸(后拉卡盤)夾持外圓——半精車另一側(cè)外圓、端面、各檔槽——精車另一側(cè)外圓、端面、各檔槽——精密滾齒(完成后人工轉(zhuǎn)熱處理車間)。

熱處理后工序：OP30車床主軸(后拉卡盤)夾持外圓、中心架輔助支撐——精車內(nèi)孔、右端面——OP30車床座頂緊工件、中心架松開并移動(dòng)到最左側(cè)——精車各檔槽。

3.變速箱輸出軸總體加工工藝流程與輸入軸相同。

根據(jù)以上工藝路線及工廠實(shí)際情況：將變速箱齒輪的熱前半精車、熱前精車、滾齒、熱后精車四道最重要工序共兩臺(tái)高精度雙主軸數(shù)控車床及一臺(tái)精密滾齒機(jī)連線使用自動(dòng)化加工。將輸入、輸出軸的熱前半精車、熱前精車、熱后精車三道最重要工序共六臺(tái)帶伺服尾座的高精度數(shù)控車床連線使用自動(dòng)化加工，滾齒機(jī)對(duì)軸類零件裝卡姿態(tài)有特殊要求，暫不適合自動(dòng)線生產(chǎn)。在自動(dòng)化方面，齒輪自動(dòng)線熱前、熱后工序采用一臺(tái)桁架機(jī)械手進(jìn)行上下料，輸入軸自動(dòng)線熱前、熱后工序采用兩臺(tái)桁架機(jī)械手進(jìn)行上下料，輸出軸自動(dòng)線形式與輸入軸自動(dòng)線相同。

自動(dòng)線布局

設(shè)計(jì)時(shí)需結(jié)合單臺(tái)機(jī)床加工節(jié)拍及整條生產(chǎn)線產(chǎn)能的要求，確保自動(dòng)上下料時(shí)間不占用機(jī)床車削加工時(shí)間。因此，在布局上，齒輪生產(chǎn)線使用一臺(tái)桁架機(jī)械手、兩臺(tái)高精度數(shù)控車床、一臺(tái)精密滾齒機(jī)組成。同時(shí)附加料倉(cāng)，完成上、下料任務(wù)。OP10車床與OP20滾齒機(jī)之間配置抽檢臺(tái)，烘干、轉(zhuǎn)序?yàn)橐惑w的料道，實(shí)現(xiàn)零件干燥及轉(zhuǎn)序的功能。斜齒輪熱后工序上料過(guò)程中卡盤有安裝角度的要求，故熱后工序料倉(cāng)與OP30車床之間配置角向定位機(jī)構(gòu)，保證每次上料時(shí)零件姿態(tài)一致。

齒輪自動(dòng)生產(chǎn)線采用串、并聯(lián)相結(jié)合的方式，一套機(jī)械手服務(wù)兩個(gè)工序。當(dāng)產(chǎn)能飽滿時(shí)，工人在熱前、熱后工序料倉(cāng)處放料，機(jī)械手從熱前工序料倉(cāng)取料后先給OP10車床上料，然后將OP10車床加工完成的工件送至轉(zhuǎn)序料道(轉(zhuǎn)序料道將工件送入滾齒機(jī)，滾齒完成的工件由工人取走轉(zhuǎn)入熱處理工序)，之后從熱后工序料倉(cāng)取料給OP30車床上料，再將OP30車床加工完成的工件送回?zé)岷蠊ば蛄蟼}(cāng)。當(dāng)產(chǎn)能不飽滿時(shí)，工人可只在熱前或熱后工序料倉(cāng)之一處放料，機(jī)械手可只為OP10、OP30車床之一換料。

輸入(輸出)軸生產(chǎn)線使用兩臺(tái)桁架機(jī)械手和三臺(tái)高精度數(shù)控車床組成。同時(shí)附加上、下料道，形成整體化的自動(dòng)化生產(chǎn)線。輸入(輸出)軸加工過(guò)程零件存在姿態(tài)轉(zhuǎn)換，OP10車床與OP20車床之間配置可使零件姿態(tài)180°翻轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，保證OP20機(jī)床上料時(shí)零件姿態(tài)正確。另外，在一些生產(chǎn)節(jié)拍要求較高的場(chǎng)合，零件姿態(tài)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以整合到機(jī)械手上，從而進(jìn)一步提高自動(dòng)生產(chǎn)線的工作效率。

輸入(輸出)軸自動(dòng)生產(chǎn)線同樣采用串、并聯(lián)相結(jié)合的方式，兩套機(jī)械手服務(wù)三個(gè)工序。工人在熱前、熱后工序上料道處放料，并在下料道處取走加工完成品。

1#機(jī)械手從熱前工序上料道取料后先給OP10車床上料，然后將OP10車床加工完成的工件送至零件姿態(tài)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，零件姿態(tài)翻轉(zhuǎn)完成再給OP20車床上料，并將OP20車床加工完成的工件送回?zé)崆肮ば蛳铝系馈?

2#機(jī)械手從熱后工序上料道取料后給OP30車床上料，然后將OP30車床加工完成的工件送回?zé)岷蠊ば蛳铝系馈?

自動(dòng)線組成

利用寧夏巨能機(jī)器人系統(tǒng)有限公司的GS050A桁架機(jī)械手、CMP06A料倉(cāng)、CMR500上下料道、轉(zhuǎn)序料道、角向定位及零件姿態(tài)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等系統(tǒng)，小巨人機(jī)床有限公司的QTN200/500、QTN200/1000、QTN200MS高精度數(shù)控車床，德國(guó)普瑞威瑪精密滾齒機(jī)組成車削滾齒自動(dòng)生產(chǎn)線。完全實(shí)現(xiàn)汽車變速箱齒輪、輸入軸、輸出軸柔性生產(chǎn)制造，自動(dòng)化上下料，自動(dòng)沖洗以及信息化生產(chǎn)管理。

GS050A機(jī)械手，采用模塊化設(shè)計(jì)，屬于巨能公司非常成熟的系列化產(chǎn)品。根據(jù)送料要求，可附加第三個(gè)直線軸Z軸、W旋轉(zhuǎn)軸，以及其他特殊機(jī)構(gòu)，相對(duì)傳統(tǒng)采用人工上下料方式，提高了數(shù)控機(jī)床的利用率。輸入(輸出)軸自動(dòng)線采用常規(guī)形式的機(jī)械手上下料。斜齒輪由于采用節(jié)圓卡盤定位，常規(guī)形式的機(jī)械手無(wú)法完成上料，必須增加導(dǎo)向及彈簧推片機(jī)構(gòu)，確保上料時(shí)齒輪能夠旋轉(zhuǎn)一定角度并與定位銷順暢嚙合。

車床采用小巨人機(jī)床有限公司生產(chǎn)的高精度數(shù)控車床，可根據(jù)加工工藝配置第二主軸、伺服尾座、中心架等，滿足變速箱齒輪及輸入、輸出軸精加工的需要。該設(shè)備采用MAZAK數(shù)控系統(tǒng)，滿足組建數(shù)字化工廠的設(shè)備要求。

滾齒機(jī)采用德國(guó)普瑞威瑪原裝進(jìn)口精密滾齒機(jī)，車床與滾齒機(jī)之間配置轉(zhuǎn)序料道。車床完成的零件只需按要求擺放至料道上即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化滾齒加工。滾齒加工前車床完成的零件必須非常干燥，這樣才能保證滾齒的裝及加工精度。生產(chǎn)線研制了集中輸送、清洗、烘干于一體的自動(dòng)物流料道，在有效解決零件清洗干燥問題的前提下，最大程度實(shí)現(xiàn)了以盡可能小的占地面積，完成盡可能長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)人化自動(dòng)加工。

轉(zhuǎn)序料道輸送速度1.5?m/min，應(yīng)用傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)及高效清洗、烘干，提高產(chǎn)品過(guò)程質(zhì)量控制能力，并實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程智能化控制管理。

變速箱齒輪自動(dòng)線采用的CMP06A料倉(cāng)結(jié)構(gòu)緊湊，可兼容直徑20～190?mm的盤類零件，與機(jī)械手配合可在一臺(tái)料倉(cāng)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)上、下料的功能，有效的降低了設(shè)備采購(gòu)成本，減小了占地面積。輸入、輸出軸自動(dòng)線采用的CMR500料道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)，可兼容長(zhǎng)度100～500?mm以內(nèi)的軸類零件，下料道還具備料滿報(bào)警功能，確保下料道零件儲(chǔ)存滿后及時(shí)通知工人取走。

系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)以太網(wǎng)通訊技術(shù)、數(shù)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，把機(jī)床工位與上層控制計(jì)算機(jī)集成連接在一起，實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)車間自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)化管理。管理系統(tǒng)分為以下幾個(gè)模塊：程序傳輸管理系統(tǒng)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集分析管理、車間實(shí)時(shí)可視化反饋系統(tǒng)。整個(gè)生產(chǎn)線管理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和分析，從而改善生產(chǎn)設(shè)備的總體生產(chǎn)運(yùn)行效率，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

車間可視化管理模塊中，將車間的布局按比例模擬到系統(tǒng)中，建立一個(gè)強(qiáng)大的電子看板，向企業(yè)用戶決策者提供真實(shí)的車間任務(wù)、人員和設(shè)備狀態(tài)信息，是有效改善企業(yè)制造過(guò)程的管理方法。

程序傳輸管模塊中，通過(guò)掃描槍掃描工單上的條形碼或者通過(guò)宏程序呼叫，服務(wù)器自動(dòng)向機(jī)床發(fā)送程序，完成程序下載功能。在程序上傳方面，所有程序直接從機(jī)床上傳，服務(wù)器獲得數(shù)據(jù)后自動(dòng)保存管理。

生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集分析管理模塊中，分為機(jī)床視圖和工廠視圖兩個(gè)部分，通過(guò)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期采集記錄，進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，對(duì)管理者改善工廠管理提供數(shù)據(jù)支持。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)記錄，對(duì)應(yīng)各工序檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)零件序列號(hào)，直接進(jìn)入系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)每一件產(chǎn)品的質(zhì)量追溯管理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期管理。

融合工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線的數(shù)字化車間，提高了加工產(chǎn)品精度和可靠性，這也必將帶動(dòng)各裝備制造業(yè)的同步發(fā)展。汽車變速箱齒輪及輸入、輸出軸是汽車的重要零部件之一，必須突出可靠性與經(jīng)濟(jì)性。從某種程度上說(shuō)，汽車變速箱齒輪及輸入、輸出軸制造行業(yè)對(duì)中國(guó)的汽車發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。

由于生產(chǎn)線設(shè)備本身是高度的多功能柔性加工設(shè)備，通過(guò)對(duì)設(shè)備夾具和手爪的改變，即可以實(shí)現(xiàn)其他類型盤齒類零件、軸類零件的加工，物料輸送系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)仍然保持不變，適合于批量生產(chǎn)，但也可以在產(chǎn)品更換后，進(jìn)行生產(chǎn)線改造和重組，模塊化的設(shè)計(jì)，方便和適應(yīng)了產(chǎn)品的變化。

智能技術(shù)和智能制造系統(tǒng)的示范應(yīng)用，提高了生產(chǎn)率，優(yōu)化了要素配置，增強(qiáng)了企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。 利用自動(dòng)化帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，以組建智能化制造工廠為目標(biāo)，改變了傳統(tǒng)的制造生產(chǎn)模式。