柔性制造系統(tǒng)在中高速柴油機(jī)機(jī)體生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

張艷飛

摘 要：以柴油機(jī)機(jī)體柔性制造系統(tǒng)加工應(yīng)用為研究課題，對(duì)柔性制造技術(shù)涉及的設(shè)備選型、場(chǎng)地布局、在線(xiàn)檢測(cè)、工藝設(shè)計(jì)、物料流轉(zhuǎn)、質(zhì)量控制等幾方面進(jìn)行了具體分析和研究。

關(guān)鍵詞：柔性制造系統(tǒng)；柴油機(jī)機(jī)體；應(yīng)用研究

隨著鐵路的快速發(fā)展，因不同種類(lèi)貨運(yùn)對(duì)機(jī)車(chē)功率、速度的差異化需要，貨運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車(chē)多品種、小批量產(chǎn)品的需求愈來(lái)愈明顯。作為內(nèi)燃機(jī)車(chē)的核心，柴油機(jī)的可靠性是內(nèi)燃機(jī)車(chē)性能綜合優(yōu)勢(shì)的重點(diǎn)之一。因柴油機(jī)組裝零件的產(chǎn)品精度及質(zhì)量是柴油機(jī)整機(jī)穩(wěn)定性的重要保障，為適應(yīng)多批量、小品種的生產(chǎn)需求，確保產(chǎn)品質(zhì)量及加工效率，采用適宜的柔性制造系統(tǒng)用于產(chǎn)品加工是將來(lái)機(jī)械產(chǎn)品加工的方向之一。在此筆者以柴油機(jī)機(jī)體為例對(duì)柔性制造系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了探索研究。

1.柔性制造系統(tǒng)概述

柔性制造系統(tǒng)是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和一組數(shù)字加工設(shè)備組成，能適應(yīng)加工對(duì)象變換的自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System），英文縮寫(xiě)FMS[1]。FMS的工藝基礎(chǔ)是成組技術(shù)，它按照成組的加工對(duì)象確定工藝過(guò)程，選擇相適應(yīng)的數(shù)控加工設(shè)備和工件、工具等物料的儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，能自動(dòng)調(diào)整并實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)多種工件的成批高效生產(chǎn)，并能及時(shí)地進(jìn)行生產(chǎn)產(chǎn)品轉(zhuǎn)換以滿(mǎn)足不同顧客需求。FMS兼有加工制造和部分生產(chǎn)管理兩種功能，因此能綜合地提高生產(chǎn)效益。通過(guò)制造資源的整合，柔性制造系統(tǒng)體現(xiàn)出設(shè)備利用率高、生產(chǎn)能力相對(duì)穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量高、運(yùn)行靈活和產(chǎn)品應(yīng)變能力大的優(yōu)點(diǎn)。

2.在機(jī)械制造業(yè)，柔性制造系統(tǒng)由以下基本組成部分

自動(dòng)加工系統(tǒng)---以成組技術(shù)為基礎(chǔ)，把結(jié)構(gòu)尺寸、重量相似，材料相同，工藝相似的零件集中在一臺(tái)或數(shù)臺(tái)數(shù)控機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床等設(shè)備上加工的系統(tǒng)。

物流系統(tǒng)---由多種運(yùn)輸裝置構(gòu)成，如傳送小車(chē)、軌道、轉(zhuǎn)盤(pán)以及機(jī)械手等，完成工件、刀具等的供給與傳送的系統(tǒng)，它是柔性制造系統(tǒng)主要的組成部分。

信息系統(tǒng)---對(duì)加工和運(yùn)輸過(guò)程中所需各種信息收集、處理、反饋，并通過(guò)電子計(jì)算機(jī)或其他控制裝置（液壓、氣壓裝置等），對(duì)機(jī)床或運(yùn)輸設(shè)備實(shí)行分級(jí)控制的系統(tǒng)。本文所述的信息包括刀具管理信息、物料信息、生產(chǎn)組織信息及機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)安全信息等。

軟件系統(tǒng)---保證柔性制造系統(tǒng)用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行有效管理的必不可少的組成部分。它包括設(shè)計(jì)、規(guī)劃、生產(chǎn)控制和系統(tǒng)監(jiān)督等軟件。

筆者在此介紹的柔性制造系統(tǒng)，是將多臺(tái)可以調(diào)整的機(jī)床（在本文中為龍門(mén)式加工中心、高速鉆銑床以及三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)）聯(lián)結(jié)起來(lái)，配以自動(dòng)運(yùn)送裝置組成的生產(chǎn)線(xiàn)，該生產(chǎn)線(xiàn)可以加工批量較大的不同規(guī)格零件。

3.事業(yè)部機(jī)體柔性制造系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在綜合分析產(chǎn)品特點(diǎn)后，我們選擇柔性制造系統(tǒng)方案，以龍門(mén)式加工中心為基礎(chǔ)，配合在線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備---三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行在線(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控，同時(shí)配置數(shù)控高速鉆銑床用于平衡生產(chǎn)線(xiàn)之間工序負(fù)荷，以托盤(pán)自動(dòng)交換系統(tǒng)為物料運(yùn)輸載體，通過(guò)刀具自動(dòng)更換、機(jī)床故障診斷系統(tǒng)、自動(dòng)加工、定位夾緊設(shè)計(jì)等方案，構(gòu)成一套緊密的自動(dòng)生產(chǎn)控制、執(zhí)行系統(tǒng)，確保所加工機(jī)體的質(zhì)量及效率。

4. 事業(yè)部機(jī)體柔性制造系統(tǒng)方案實(shí)施

機(jī)床設(shè)備選型方案：作為柴油機(jī)的核心關(guān)鍵件，機(jī)體對(duì)機(jī)床精度要求極高，公司所選配3臺(tái)精加工機(jī)床重復(fù)定位精度全行程范圍內(nèi)小于0.006mm，旋轉(zhuǎn)軸小于4秒，機(jī)床主軸功率大于60KW，機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸導(dǎo)軌為靜壓導(dǎo)軌，托盤(pán)規(guī)格2m×5m，數(shù)控系統(tǒng)選用Siemens840Dsl，機(jī)床可5軸聯(lián)動(dòng)（X、Y、Z、B、C），為降低機(jī)床配置價(jià)格，W軸（橫梁）采用強(qiáng)力潤(rùn)滑導(dǎo)軌，作為定位軸使用，不參與切削。

基于整條生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)能均衡考慮，公司在生產(chǎn)線(xiàn)上配備一臺(tái)高速鉆銑床，承擔(dān)螺紋孔系的加工以及非重要安裝面的精加工。該機(jī)床采用龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，主軸轉(zhuǎn)速5000r/min，主軸扭矩1000N.m，銑削速度可達(dá)30000m/min，機(jī)床各軸加速度達(dá)到2m/m2。

系統(tǒng)定位方案：為解決托盤(pán)與機(jī)床工作臺(tái)之間的定位問(wèn)題，確保每次定位的一致性，通過(guò)選擇圓銷(xiāo)—菱形銷(xiāo)的定位方式解決上述定位難題（設(shè)計(jì)時(shí)2銷(xiāo)不在同一軸線(xiàn)上從而保證定位精度）。托盤(pán)由鏈?zhǔn)絺魉蛶椭凉ぷ髋_(tái)固定位置后，在液壓裝置推動(dòng)下，托盤(pán)在夾緊下降的過(guò)程中，托盤(pán)上的定位孔嵌入機(jī)床工作臺(tái)上的定位銷(xiāo)處，實(shí)現(xiàn)定位夾緊。工件與夾具之間也采用類(lèi)似定位方案。定位夾緊示意圖如下：

測(cè)量基準(zhǔn)方案：為做到加工與測(cè)量基準(zhǔn)的一致，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)—曲軸孔與曲軸孔止推面--精加工完畢后重新進(jìn)行Y＼Z向基準(zhǔn)與X向基準(zhǔn)測(cè)量，以加工后的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)加工其他特征。測(cè)量時(shí)加工機(jī)床與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)均選擇雷尼紹探針進(jìn)行檢測(cè)，二者均選取相同的測(cè)量基準(zhǔn)，保證了測(cè)量基準(zhǔn)的一致性。

在線(xiàn)檢測(cè)方案：加工時(shí)為保障測(cè)量體系的精確性及準(zhǔn)確性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)量具進(jìn)行了Gage R&R;測(cè)試，即量具的重復(fù)性及可再現(xiàn)性測(cè)試。量具的重復(fù)性意即一個(gè)人使用同一量具重復(fù)測(cè)量同一特征的變化， 也稱(chēng) “儀器變化” 或 “EV”。再現(xiàn)性表示兩人或多人使用同一量具測(cè)量同一特征的變化， 也稱(chēng)“評(píng)價(jià)者變化”或“AV”。

實(shí)際測(cè)量時(shí)根據(jù)實(shí)際值與測(cè)量值之間的標(biāo)準(zhǔn)差，通過(guò)如下公式計(jì)算出測(cè)量系統(tǒng)總誤差：

在機(jī)體生產(chǎn)線(xiàn)上的人工測(cè)量工具GR&R;在10%-30%之間，因三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)不存在再現(xiàn)性的問(wèn)題，因此只做了重復(fù)性，即GR，該項(xiàng)%公差低于10%。

工藝方案：因機(jī)體對(duì)加工精度要求較高，加工工序多、生產(chǎn)制造流程長(zhǎng)，為充分發(fā)揮設(shè)備產(chǎn)能，對(duì)機(jī)體生產(chǎn)制造流程進(jìn)行了優(yōu)化，粗加工時(shí)各面孔預(yù)留1.5mm余量，在該生產(chǎn)線(xiàn)上僅承擔(dān)產(chǎn)品精加工，具體從軸承蓋裝配之前的精銑開(kāi)始，直至機(jī)體上孔系的加工，具體流程如下：

物料組織：按照工序平衡設(shè)計(jì)以及精益生產(chǎn)原則，對(duì)工位耗時(shí)進(jìn)行測(cè)算，按照機(jī)床負(fù)荷進(jìn)行物料配送。該項(xiàng)工作可在柔性系統(tǒng)控制界面中做好物料傳遞指令，按設(shè)定時(shí)間間隔傳遞待加工件。為應(yīng)對(duì)異常情況的發(fā)生，在該界面上也可轉(zhuǎn)為手動(dòng)操作，通過(guò)手動(dòng)設(shè)置指令指示托盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)。

質(zhì)量控制：為做好產(chǎn)品加工在線(xiàn)質(zhì)量控制工作，除人工檢測(cè)外，由三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)擔(dān)當(dāng)工序之間的測(cè)量工作，根據(jù)機(jī)床設(shè)備的CPK計(jì)算，對(duì)關(guān)鍵重要尺寸進(jìn)行100%檢測(cè)，其余尺寸進(jìn)行10%的抽測(cè)。通過(guò)在線(xiàn)檢測(cè)的施行，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的變異，很好的控制產(chǎn)品質(zhì)量。所測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)在線(xiàn)傳輸進(jìn)入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件如MiniTab進(jìn)行分析，便于質(zhì)量工程師及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工過(guò)程中尺寸的變異過(guò)程，進(jìn)而采取措施防止異變過(guò)程的加劇。

5、結(jié)束語(yǔ)

在機(jī)械加工行業(yè)我國(guó)已經(jīng)有多條以臥式加工中心為主建立的柔性制造系統(tǒng)并取得了較好的應(yīng)用效果，但以龍門(mén)式加工中心為主要設(shè)備，采用交換系統(tǒng)方式加工大型柴油機(jī)零件還處于應(yīng)用探索階段，筆者在本文中結(jié)合實(shí)際需要，從機(jī)床選型、場(chǎng)地布局、物料運(yùn)轉(zhuǎn)、工藝定制以及在線(xiàn)檢測(cè)、質(zhì)量控制幾方面進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用研究，希望能給讀者一些啟發(fā)。受限于現(xiàn)有知識(shí)面及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足，文中存在不足之處在所難免，懇請(qǐng)各位指正。

參考文獻(xiàn)

[1]沈向東著.柔性制造技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2013.04

[2]孫燕華著.先進(jìn)制造技術(shù).電子工業(yè)出版社，2012.07

[3]曹軍著.多品種小批量機(jī)加工車(chē)間數(shù)字化制造模式及支持系統(tǒng)研究.[學(xué)位論文]，重慶大學(xué)，2012.05

[4]王連生著.精益生產(chǎn)與精益六西格瑪實(shí)戰(zhàn).中國(guó)質(zhì)檢出版社， 2012.04

[5]林洪著.柔性制造技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn).機(jī)械工業(yè)出版社，2012.10