數控（kòng）機床

    摘要:針對汽車輪轂生產（chǎn）線自動化程（chéng）度低、工作環（huán）境差和加工（gōng）精度（dù）要求高的現狀，設計了一（yī）條汽車輪轂潔淨加工生產線。該生（shēng）產線對輪轂的機加工工藝進行規（guī）劃，采用間隙配合的方式設計料架，並通過拆分裝（zhuāng）置和運輸裝置對輪轂進行運輸 ; 夾具運（yùn）用心軸定位的原理，通過連杆機構帶（dài）動定位件實現自定位，使用曲柄滑塊機（jī）構實現夾緊，增強輪轂在（zài）機床上加（jiā）工的定位精度和夾緊可靠性 ; 采（cǎi）用微量潤滑的潤滑方（fāng）式實（shí）現機械加工過程中的環保節能 ; 通過 RobotStodio 對具（jù）有雙夾緊工位的上下（xià）料（liào）機械（xiè）手進行軌跡規（guī）劃。該生（shēng）產線通過智能管理係統合理規劃和（hé）優化輪轂生產線（xiàn），為實際（jì）生產提供（gòng）依據和借鑒。

    綠色發展是國際大（dà）趨勢（shì）。當前（qián）環境（jìng）和資源問題成為（wéi）人類的共同挑（tiāo）戰，針對如何（hé）實現可持續性發展已（yǐ）達成共識，綠色製造無疑是工業升級（jí）轉型的必經之路。發展綠色製造技術，有利於緩解（jiě）當前環境資源約束問題，有利於（yú）新經濟（jì）增長點快速培育，而且對加速經（jīng）濟發展方式轉變、推動工業（yè）轉型升級、新舊動（dòng）能轉化（huà）及提升製造業國際競爭力具有深遠曆史意義。

    我國汽車行業不斷地（dì）發展，國內汽車的銷量數次刷新全球記錄，一直位（wèi）於世界第一的銷（xiāo）量水平。但在我國汽車行業迅速發（fā）展的同時，汽車輪轂傳（chuán）統生產線在加工過程（chéng）中大量使用礦物油切削液，造成了資源浪費、環境汙（wū）染和危害操作人員健康等問題。據調查，一家（jiā）中小型汽車輪轂生產廠家每年消耗的潤滑液高達 65 萬（wàn） t，用於潤滑液采購、廢液處（chù）理等方（fāng）麵造價高達 300 餘萬元，且存在工作環境出現髒（zāng）、亂、差等問題。因此，在改造生產線實現自動化的同時，必須保證汽（qì）車輪轂的潔（jié）淨生產，使潔淨生產與自動化生產完美結合是未來生產的（de）必由之（zhī）路。

    隨著國際（jì）社會對綠色製造的支（zhī）持，綠色冷卻潤滑（huá）方式也（yě）得到了發展，幹式加工在機械加（jiā）工中的成（chéng）功應用為綠色加工開啟了新的道路，但由於缺少切削液的直接潤滑，導致想要達到與澆注式（shì）潤（rùn）滑（huá）相同的加工質量就必須保證（zhèng）刀具的韌性（xìng）、硬度和耐磨性，這使得幹式加工受到刀具限製（zhì），且加工過程中（zhōng）由於沒有介質參與，排屑和換熱性能不足，不可避免（miǎn）地造成工件表麵出（chū）現燒傷情況。

    隨著學者們的深入研究，提出了低溫冷卻技術。低溫冷卻（què）技（jì）術是將低溫氣（qì）體介質（zhì）噴射到切削（xuē）區對切削區進行降溫，起到冷卻作用，達到加工要求。學者們進行大量試驗探（tàn）究低溫冷卻技術在車削、銑削等多種（zhǒng）加工形式中的（de）冷卻效果（guǒ）。試驗表明（míng），低溫冷卻潤滑得到的工（gōng）件質量、刀具壽命和潤滑性能均優於幹式切削，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（zhōng）氧氣含量降低（dī）引起工人窒息（xī），與綠色發展、保證人體健康衝突（tū），需進一步發展研究。繼幹式切削之後，提出了介（jiè）於澆注式切削與幹（gàn）式切削的微量潤滑技術，最（zuì）小限度地使用切削液，保證加工質量。微量潤（rùn）滑技術是在高壓氣體中加入微量潤（rùn）滑油，借助高壓氣流，將微量潤滑油（yóu）霧化後注入高速切削區，進行冷卻潤滑和切屑排出（chū）。微量潤滑油采用具有極好的生物（wù）降（jiàng）解性能的植（zhí）物油作（zuò）為基礎油，極大地改善了工作環境，降低（dī）了對環（huán）境的汙（wū）染，保（bǎo）證（zhèng）了工件加工質量。將靜（jìng）電場等多能場耦合到（dào）加工過程中會起到更好的潤滑效果（guǒ）。因此，將微量潤滑結合到生產（chǎn）線之中已成為必然選擇。

    由於傳統生（shēng）產線存在自動化不足的問題，而自動化不足也限製了潤滑工況的（de）改善，無法達（dá）到微量潤滑與生產（chǎn）要素同步的要求，因此需對生產線（xiàn）整體進行改進。隨著汽（qì）車銷量的（de）增長，對輪轂的生產效率提出了進一步（bù）要求，增強生產線智（zhì）能化也是行業發展（zhǎn）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（tóng）軸度對汽車使用壽（shòu）命、行車穩定性和駕駛員的安全有著重（chóng）大影響（xiǎng）。因此，生產線智能化（huà）的改造（zào）不僅需要提高生產效率，而且需要保證輪轂（gū）生產（chǎn）的質量。但我（wǒ）國輪轂生產廠家規模不一，輪轂機加工大部分依舊采用人工配合（hé）機（jī）床加工完成生產，大量使用人力，造成生產效率低、成本高、產品性能不穩定，極大製約了輪轂行業的發展。部分生產廠家試進行智（zhì）能（néng）自動（dòng）化生產線改造，但國內企業缺乏自己的核心技術，智能生產（chǎn）線（xiàn）成本較高，使得生產廠家（jiā）無力更新設備（bèi）。

    麵對輪轂生產的需（xū）要，我國開始著手（shǒu）組建汽車輪轂的自動化（huà）加工生產（chǎn）線。汽車輪轂加工的柔性自動化生（shēng）產（chǎn）線需實現多規格、多尺寸和變批量的輪轂生產，滿足（zú）輪轂上（shàng）下料、粗加工、半精加（jiā）工、精（jīng）加工及（jí）鑽孔等方（fāng）麵的加工自動化流水作業。由於輪轂加工的多樣性，眾多學者對輪（lún）轂加工過程進行了研究。傳統的輪轂加工需更換不同（tóng）工裝設備來完成不同類型輪轂的加工，降低了生產效率，增加了成本，麵對輪轂多規格、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，劉德偉對輪轂柔性夾具進行了設計與分析，通過旋轉機構帶動連杆實現不同半徑輪轂的夾緊，並對夾具進行夾緊力和定位誤差分析（xī）。梁盈富等對汽車輪（lún）轂生產線中智能製造係統（tǒng）總體（tǐ）框架進行了（le）設計，將 MES 係統和（hé） PLC 技術與（yǔ）機床機器人相結合。輪轂自動（dòng）化柔性生產線從柔性加（jiā）工的夾具，到（dào）加工過（guò）程中的檢測，再到整條生產線與物聯網結合，其智能（néng）化已經得（dé）到長足（zú）的（de）發展。

    綜上（shàng）所述（shù），生產線（xiàn）設計應解（jiě）決以下問題 : ①輪轂的種類繁多，規格尺（chǐ）寸不同，往往需要不同的加工設備來完成生產。②加工（gōng）單元采用島式布局，各單元之（zhī）間加工連續性不足。③澆注式潤滑工況在加工過（guò）程中飛濺的潤（rùn）滑液會汙染環（huán）境，影響工人健康（kāng）。④上下料采用人（rén）工（gōng），使得成本增加、效率下降。汽車市場（chǎng）對輪轂的需求量巨（jù）大，以上問題亟待解決。因此設計了汽車輪轂（gū）潔淨加工生產線，實現輪轂的（de）上下料、機加工的自（zì）動化作業，並加裝（zhuāng）微量潤滑裝置來（lái）解決汙染問題。

    汽車輪轂加工的柔性自動化（huà）生產線需實現多（duō）規格（gé）、多（duō）尺寸和變批量的輪轂生產，滿足輪轂的上下料、粗加（jiā）工、半（bàn）精（jīng）加工、精加工及鑽孔（kǒng）等方麵加工的自動化流（liú）水作業。將輪轂機（jī）加（jiā）工分為 5道工序，其（qí）規程設計見表 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，鑽孔在加工中心上進（jìn）行，作為一道（dào）工序。

 

 

    從工藝流（liú）程出發，對（duì）上下料裝置、機（jī）床夾具和（hé）生產（chǎn）工況進行（háng）整體（tǐ）設計，設計出的輪轂潔淨生產線如圖 1 所（suǒ）示（shì）。由 4 台立式車床和 1 台加工中心完成輪轂 5 道工序的加工，5 台（tái）機床成兩排布局，通過 3 台上下料機械手完成機床與輥道、輥道與（yǔ）輥道（dào）之間的物料傳輸。5 台（tái）機床和 3 台機械（xiè）手組成一個加工單（dān）元，車間（jiān）可布置多個加工單元，通過上料裝置進行統一上料。國內現有輪轂（gū）加工生產線（xiàn）多為人工搬運上料，既降低（dī）了生產效率，

 

 

1—拆分（fèn）裝置　2—第一輥道　3—料架　4—輪轂定位裝置　5—輪轂　6—上下料機器人（rén）　7—出料輥（gǔn）道　8—機床　9—夾具　10—微量潤滑裝置　11—輪轂搬運機械手

 

 

    自定位裝置實現夾（jiá）緊前的定位，為夾緊提高更好的（de）定位精度，有利於減小重複定位誤差。以輪轂底平（píng）麵為主要定位基準麵，活（huó）動平台限製輪轂 X、Y 軸轉動和 Z 軸移動，在氣缸的驅（qū）動下，通過連杆機構帶動 3 個定位塊同時向外運動，限製（zhì）輪轂的 X、Y 軸轉動，實現對輪轂的自定位 ;固定平台與機床相（xiàng）連接，夾緊（jǐn）爪的移動由第一氣缸控製，第一氣缸通過曲柄滑塊（kuài）機（jī）構將垂直的驅動力轉換成（chéng）水平的徑向力，夾緊爪在徑向力的作用下沿固定平台徑向移動，對輪轂進行徑（jìng）向夾緊 ;第二氣缸帶動（dòng）活動平台在 Z 軸移動，配合夾緊爪對輪轂進行軸向夾緊。

    在加工時，夾緊（jǐn）力既要保證（zhèng）不破壞工件，又要保證加工的正常進行。最（zuì）小夾緊力為保（bǎo）證加工過程中汽車輪轂不因（yīn）切削力發生位移偏轉的夾緊力。氣缸需對夾緊爪（zhǎo）提供一（yī）個最小夾緊力保證加工的正常運（yùn）行。加工（gōng）時，夾（jiá）緊爪與輪（lún）轂發生（shēng）位置偏（piān）移，對（duì）輪轂產生的摩擦力，摩擦（cā）力與力偶相對，從而達到靜力平衡，靜力平衡條件為

    在《中國製造 2025》中提出了推動製（zhì）造（zào）業朝智能、綠色（sè）、高端等創新（xīn）驅動方向發展。綠色加工是國（guó）際大趨勢，在這種（zhǒng）國際大趨勢的推動下，輪轂生產線從澆注式轉變為微量潤滑式的加工工（gōng）況成為必然。傳統的（de）澆注式潤滑使用大（dà）量的礦物油切削液，汙染（rǎn）環境、危害工人的健康且（qiě）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（zhí）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（zhì） 30~00mL/h，不僅減少了浪（làng）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（wéi）必然選擇，微量潤滑裝置結構如圖（tú） 3 所示，其懸掛式安裝在機（jī）床上，為輪轂加工提供微量潤滑工況。用（yòng）微量潤滑裝置代替原有的澆注（zhù）式潤滑裝置，並根據機床加工的主軸（zhóu）轉速對微（wēi）量（liàng）潤滑裝置的注油量進行調整，這（zhè）樣既增強了潤滑效果，又降低了成本和汙染。

 

 

 

 

    輪轂機械手搬運軌跡複雜，為避免（miǎn）機床與上下（xià）料機械手發生碰撞，對機械手進行軌跡規劃尤為重（chóng）要。以第一立式機（jī）床和第二立式機床之間的物料（liào）搬運為例，上（shàng）下料機（jī）器（qì）人需示教的點為（wéi） 9個——1 個 pHome 點、1 個過渡點（diǎn）、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（chéng） 3 個避障點之間的搬運，具體如圖 5 所（suǒ）示。上（shàng）下料流程（chéng）在階段 1~ 階段 6 之間循（xún）環，其中 pHome 點、過渡點（diǎn）和避障點之間采用關節插補運動，以空（kōng）載最大（dà）運行速度 v 空載 max 和滿載最大（dà）運行速度 v 滿載 max 運行 ; 避障點和抓取點、放置（zhì）點之間（jiān）采（cǎi）用直線（xiàn）插（chā）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（háng）。

 

 

    通（tōng）過 Robotstodio 進行仿真，行動（dòng）軌跡表明上下料機器人可以達到預期（qī）運行效果，以機器人（rén）代替人工搬（bān）運，提高了工作效率。通過 TCP 軌跡跟（gēn）蹤（zōng），可判斷是否產生碰撞和（hé）幹涉，節省實際調試時間避免意外。軟件（jiàn）運行後，輪轂在輥道和各個機床之（zhī）間平（píng）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（yùn）時間約為 33s，上下料效率提高了

    根據我國對輪轂（gū）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（chē）輪轂潔淨加工生產線。通（tōng）過對輪（lún）轂生產的加工工藝進行規劃，對輪轂生產線進行（háng）整體設計，將各個生產單元通過上料裝置實現並聯 ; 對輪轂夾具進行設計，實現對（duì）輪轂的自定位和柔性夾緊（jǐn），並提高了重複定位精度，為輪轂加工提供保障 ; 對加工機床進行改（gǎi）進（jìn），安裝微量（liàng）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（dù）與質（zhì）量，又能減少資（zī）源浪費。設計方案通過虛擬仿真（zhēn），對係統運行軌跡做（zuò）出（chū）規劃，模擬輪轂自動（dòng）化生產過程，提高工作（zuò）效率（lǜ），為實際（jì）生產提供理（lǐ）論依據，實現輪轂潔淨自動化加工。