伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

■ 廣州數(shù)控設(shè)備有限公司 （廣東 510165） 邵國安

廣州數(shù)控設(shè)備有限公司根據(jù)生產(chǎn)情況，結(jié)合公司現(xiàn)有設(shè)備等資源，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軸智能化生產(chǎn)線。生產(chǎn)線集成了自動(dòng)給料裝置、數(shù)控車床、數(shù)控銑端面打中心孔機(jī)床、六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人、可儲(chǔ)物料自動(dòng)輸送線和鉆削中心，解決市場上應(yīng)用廣泛的4N·m至10N·m伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸智能化加工，起到了引領(lǐng)行業(yè)示范、促進(jìn)制造業(yè)水平提升的作用。

1.轉(zhuǎn)軸智能生產(chǎn)線搭建基礎(chǔ)

（1）工藝路線。圖1所示為伺服電動(dòng)機(jī)典型零件圖，材料為SG45；毛坯選用φ28mm和φ34mm的6m棒料。采用非調(diào)質(zhì)料SG45，下料長度尺寸公差3～4mm；銑端面、鉆中心孔采用專機(jī)完成，精車之前外圓尺寸留0.3～0.5mm余量，精車采用高精度數(shù)控車床，鐵芯位、軸伸位和密封位車至尺寸，軸承位留0.08～0.1mm余量。左右兩端軸承位采用高精密外圓磨床MGK1312A一次完成磨削，錐度位采用高精密外圓磨床MGK1312A磨削。

（2）加工設(shè)備。根據(jù)公司生產(chǎn)特點(diǎn)，生產(chǎn)線解決110SJT到130SJT轉(zhuǎn)軸自動(dòng)化加工。加工工序從銑端面、打中心孔到精車共5個(gè)工序。具體如附表所示。

（3）加工分析。銑端面、鉆中心孔（見圖2）：機(jī)床兩端刀盤各裝10個(gè)刀粒，右端中心鉆裝套車刀座。在加工中心孔時(shí)，同時(shí)把下工序的外圓定位基準(zhǔn)加工出來。此工序的程序主要參數(shù)為銑端面S1000，F(xiàn)220，切深2；鉆S1000，F(xiàn)40。

激光端部打標(biāo)（如圖3）：二維碼采用激光打在軸伸端面上，以便零件后續(xù)的檢測(cè)、識(shí)別和信息追溯。

車軸伸：加工時(shí)用2把刀（2把備用尖刀，12把備用外圓刀）。1把為55°菱形尖刀，用來切砂輪越程槽；1把為80°菱形外圓車刀。為平衡工序，外圓車刀也車削鐵芯位部分，參數(shù)為S1200，F(xiàn)200，切深3。如圖4所示。

圖1 伺服電動(dòng)機(jī)典型零件

智能生產(chǎn)線加工工序表

車鐵芯位：加工方法與車軸伸類似，55°菱形尖刀用來切軸承位的砂輪越程槽，如圖5所示。

在線檢測(cè)：兩端中心孔拍照檢測(cè)。機(jī)器人抓取工件在攝像機(jī)鏡頭下拍照檢驗(yàn)，再放入兩頂尖間，外圓特征采用接觸式檢測(cè)。如圖6所示。

鉆孔攻螺紋：加工M4螺紋孔時(shí)用3把刀（锪孔備用5把，鉆底孔備用5把，1把絲錐備刀）。如圖7所示，采用微量潤滑對(duì)絲錐進(jìn)行潤滑，采用氣動(dòng)卡盤位工裝夾緊工件。φ4.3mm鉆頭锪孔，φ3.66mm鉆頭鉆M4底孔，M4-6HX擠壓絲錐攻螺紋。參數(shù)為S1200，F(xiàn)50。

精車轉(zhuǎn)軸（密封位、軸伸位和鐵芯位以車代磨）：加工時(shí)用5把刀，2把為右偏刀，第1把用來粗車鐵芯位導(dǎo)向部分；第2把切右軸承位和鐵芯位，主切削參數(shù)S2700，F(xiàn)240，至尺寸。3把左偏刀，第3把粗車軸伸位和密封位、軸承位，第4把精車軸伸位，主要切削參數(shù)S3000，F(xiàn)150，至尺寸。第5把精車密封位至尺寸。如圖8所示。

精車后的外圓檢測(cè)和粗車后的檢驗(yàn)相同，只是設(shè)備的檢驗(yàn)精度提高到μm級(jí)。

2.伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)指標(biāo)。產(chǎn)能：（400～480）件/8h；產(chǎn)品：110SJT-4N·m～130SJT-10N·m轉(zhuǎn)軸；產(chǎn)品合格率：99.98%；生產(chǎn)線故障率：150h無故障；設(shè)計(jì)壽命：10年；操作人員：1名（兩條線）；使用場地：5.2m×21m×3m/條；可視化要求：設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷和保養(yǎng)提醒，產(chǎn)品加工狀況和質(zhì)量數(shù)據(jù)上傳公司服務(wù)器。

圖2 銑端面、鉆中心孔

圖3 端面打標(biāo)

圖4 車軸伸

圖5 車鐵芯位、軸承位等

（2）設(shè)計(jì)流程。在此案例中，新增設(shè)備打標(biāo)機(jī)、轉(zhuǎn)軸檢測(cè)設(shè)備、機(jī)器人、輸送線和工裝夾具等，其他設(shè)備已有；采用AutoCAD和Solidoworks為設(shè)計(jì)工具，并將生產(chǎn)線的設(shè)備三維化，對(duì)關(guān)鍵部分進(jìn)行有限元分析；檢測(cè)干涉，模擬運(yùn)行；工裝夾具制造由廠外專業(yè)加工廠完成，安裝調(diào)試由項(xiàng)目組成員完成。流程如圖9所示。

（3）生產(chǎn)線布局。為提高機(jī)器人利用率，機(jī)床布局采用雙線布局，也就是每一工序都采用2臺(tái)機(jī)床加工，如圖10所示。

生產(chǎn)線包含2臺(tái)銑端面打中心孔機(jī)床、4臺(tái)粗車車床、2臺(tái)加工中心、2臺(tái)精車機(jī)床、7臺(tái)6關(guān)節(jié)8kg機(jī)器人、1臺(tái)打標(biāo)機(jī)、2臺(tái)檢測(cè)設(shè)備、4條輸送線、2臺(tái)料倉（毛坯和成品）及1套生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。結(jié)合實(shí)際情況，精密磨削暫不放入生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中。

（4）生產(chǎn)線料倉等簡介。毛坯料倉庫采用分度盤分料，分料準(zhǔn)確，氣缸推緊定位；一次可存儲(chǔ)150件；分度速度30°/s；運(yùn)行平穩(wěn)。轉(zhuǎn)軸輸送線采用鏈條板式結(jié)構(gòu)，V形塊定位，鏈條傳動(dòng)；伺服電動(dòng)機(jī)加減速機(jī)驅(qū)動(dòng)；運(yùn)行速度15m/min，運(yùn)行平穩(wěn)；手爪采用雙手爪結(jié)構(gòu)，一個(gè)手爪抓取未加工的轉(zhuǎn)軸，另外一個(gè)抓取加工后的轉(zhuǎn)軸，取放高效。

在每臺(tái)機(jī)器人上除了裝手爪以外，都裝了清理工件鐵屑的空氣噴嘴，利用6關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人的柔性，對(duì)工件、機(jī)床上的工裝夾具進(jìn)行清理。其中與銑端面、鉆中心孔和加工中心機(jī)床對(duì)應(yīng)的機(jī)器人，裝有激光傳感器，用于檢測(cè)中心鉆、鉆頭和絲錐的折斷。成品料倉采用分隔工件結(jié)構(gòu)，避免加工完的工件接觸碰傷。一次可以放75件。

（5）生產(chǎn)線控制。采用廣州數(shù)控開發(fā)的FCS1000生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車間級(jí)設(shè)備組線。設(shè)備之間采用GSK-Link總線通信，GSK-Link高速現(xiàn)場總線是以百兆以太網(wǎng)的物理層芯片為通信載體，用FPGA實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制專用的MAC控制器來滿足高速現(xiàn)場總線的要求，車間組網(wǎng)采用支持GSKLink通信總線的控制設(shè)備，如圖11所示。

毛坯件供給和半成品自動(dòng)傳送，工序間零件自動(dòng)周轉(zhuǎn)，并可存儲(chǔ)一定量的半成品，以便異常情況出現(xiàn)時(shí)，不影響后工序生產(chǎn)；具有自動(dòng)檢測(cè)關(guān)鍵尺寸、自動(dòng)刀具補(bǔ)償功能；故障提示報(bào)警；具備遠(yuǎn)程監(jiān)控，連接MES、ERP系統(tǒng)；切換不同型號(hào)零件時(shí)，工裝夾具能快速切換，程序切換便捷。

圖6 特征檢驗(yàn)

圖7 M4螺紋孔加工

圖8 精車轉(zhuǎn)軸

圖9 生產(chǎn)線設(shè)計(jì)流程

（6）生產(chǎn)線刀補(bǔ)控制。通過二維碼識(shí)別機(jī)床加工情況，可追溯到對(duì)應(yīng)的加工機(jī)床，對(duì)應(yīng)機(jī)床的刀位號(hào)，當(dāng)加工尺寸偏離系統(tǒng)設(shè)置刀補(bǔ)范圍，可自動(dòng)進(jìn)行刀補(bǔ)；并且系統(tǒng)有刀具壽命管理功能，在刀具壽命到期時(shí)，自動(dòng)切換到備用刀具，如圖12所示?，F(xiàn)刀庫容量可保證8h自動(dòng)刀補(bǔ)。

（7）生產(chǎn)線應(yīng)用情況。生產(chǎn)線如圖13所示，于2012年7月全面投入使用，到目前還在穩(wěn)定運(yùn)行著，為公司生產(chǎn)約90萬根轉(zhuǎn)軸。毛坯及成品如圖14所示。

3.結(jié)語

伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸生產(chǎn)由原來10人降至1人，生產(chǎn)效率提高了30%，產(chǎn)品一次合格率提高了10%。最早建立的轉(zhuǎn)軸生產(chǎn)線到目前運(yùn)行了5年多，安全、穩(wěn)定且故障率低。經(jīng)過長期的運(yùn)行，驗(yàn)證了現(xiàn)階段技術(shù)可行。經(jīng)過不斷優(yōu)化，各細(xì)節(jié)改進(jìn)，轉(zhuǎn)軸智能生產(chǎn)線可長期不間斷穩(wěn)定運(yùn)行。

不足之處：生產(chǎn)線的設(shè)備線纜鋪于地面，給維修帶來不便；其次車間溫度差對(duì)工件的尺寸穩(wěn)定性有不利影響；生產(chǎn)中產(chǎn)生的鐵屑需要集中粉碎、脫油和壓塊處理。

轉(zhuǎn)軸智能生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)首先要讓生產(chǎn)工藝便于自動(dòng)化生產(chǎn)，選擇穩(wěn)定性好、精度高的機(jī)床作為生產(chǎn)線的主體；再設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)氣動(dòng)或液壓的工裝夾具、料倉和輸送線等作為配套；并選擇穩(wěn)定性好的生產(chǎn)線控制系統(tǒng)保證生產(chǎn)線順利進(jìn)行。

轉(zhuǎn)軸智能生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)可推廣到伺服電動(dòng)機(jī)其他零部件的自動(dòng)加工。可建立車間級(jí)小型立體倉庫，使伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸、前端蓋、后端蓋、機(jī)殼生產(chǎn)線與立體倉庫連接起來；使用AGV周轉(zhuǎn)物料；降低刀具磨損及自動(dòng)切換頻率，使生產(chǎn)線大于48h智能化生產(chǎn)。

圖10 生產(chǎn)線布局

圖11 生產(chǎn)線電氣控制

圖12 生產(chǎn)線實(shí)時(shí)刀補(bǔ)控制

圖13 生產(chǎn)線實(shí)拍

圖14 毛坯及成品