童向榮, 陳政弘,趙福成,王瑞平，2

(1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336； 2.浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，浙江 寧波 315336)

淺談現(xiàn)代產(chǎn)品試制的加工方式*

童向榮1, 陳政弘1,趙福成1,王瑞平1，2

(1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336； 2.浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，浙江 寧波 315336)

在當(dāng)今生產(chǎn)制造領(lǐng)域，要求在同樣的生產(chǎn)條件下盡量多的加工出不同類型的產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)當(dāng)今車間產(chǎn)品試制加工所應(yīng)用的托盤管理系統(tǒng)及機(jī)器人輸送系統(tǒng)的介紹，使讀者對(duì)先進(jìn)的車間產(chǎn)品加工方式有深刻的了解，給車間產(chǎn)品加工方式提供參考。

小批量產(chǎn)品；組合夾具；托盤管理系統(tǒng)；機(jī)器人輸送系統(tǒng)

0 引 言

隨著我國(guó)現(xiàn)代化工業(yè)的飛速發(fā)展，我們的民族企業(yè)也不得不參與激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，作為為民族企業(yè)提供堅(jiān)強(qiáng)支撐的裝備制造業(yè)的發(fā)展自然也面臨著新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。多種類、小批量生產(chǎn)是當(dāng)今流行的新產(chǎn)品試制加工方式，試制加工環(huán)境下的車間已不能指望僅僅通過(guò)運(yùn)行數(shù)臺(tái)獨(dú)立的加工機(jī)床，并為每臺(tái)加工機(jī)床配備一名操作人員的這種方式來(lái)參與競(jìng)爭(zhēng)。這種方式勞動(dòng)力成本太高，特別是和發(fā)達(dá)國(guó)家的現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展水平相比，更是一種發(fā)展方式上的“致命傷”。

1 產(chǎn)品試制機(jī)床的形式及試制產(chǎn)品發(fā)展?fàn)顩r

1.1 當(dāng)前產(chǎn)品試制機(jī)床的形式

數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床相比，有著良好柔性、高調(diào)整、高效率、加工精度高等優(yōu)勢(shì)，在產(chǎn)品試制加工領(lǐng)域，它已經(jīng)逐步替代普通機(jī)床；但普通機(jī)床也存在著對(duì)操作人員要求低、生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間短、簡(jiǎn)單加工時(shí)間短、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，其還不能完全被數(shù)控機(jī)床替代，因此目前形成了二者并存的現(xiàn)狀。

而隨著市場(chǎng)產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加劇，目前為了適應(yīng)市場(chǎng)需求，研發(fā)產(chǎn)品的試制已經(jīng)進(jìn)入了多品種、小批量的加工模式，這就使高精度、高柔性的數(shù)控加工中心機(jī)床成為了新產(chǎn)品試制加工的主流，其以高速度來(lái)達(dá)到高效率。當(dāng)今的加工中心機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速已能達(dá)到25 000 r/min，定位精度可達(dá)到0.01 mm，重復(fù)定位精度可達(dá)到0.005 mm，機(jī)床主軸多采用電主軸，立式加工中心刀庫(kù)可容納30把刀，臥室加工中心刀庫(kù)可容納90把刀，足以滿足一般零件的試制加工內(nèi)容(如圖1、圖2)。加工中心機(jī)床采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副(X、Y軸)加淬火硬軌貼塑導(dǎo)軌副(Z軸)設(shè)計(jì)，不僅適用于板類、盤類、殼體類、精密零件的加工，而且適用于模具加工。零件一次裝夾后可完成銑、鏜、鉆、擴(kuò)、鉸、攻絲等多工序加工，具有自動(dòng)化程度高、可靠性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、方便、宜人，整體造型美觀大方、機(jī)電一體化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 立式加工中心 圖2 臥式加工中心

隨著現(xiàn)代產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及外形復(fù)雜程度的增加，很多產(chǎn)品都出現(xiàn)了帶有空間角度的面或孔系的加工，為了提高數(shù)控加工中心的高柔性及高效率，常常出現(xiàn)立式加工中心配備旋轉(zhuǎn)第四軸、臥室加工中心配備360°回轉(zhuǎn)臺(tái)加工空間角度面及孔系的加工方式(見圖3、圖4)。

圖3 立式加工中心配備旋轉(zhuǎn)第四軸 圖4 臥式加工中心配備回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

除了在高速加工中心上配備旋轉(zhuǎn)第四軸和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)之外，也可以采用在機(jī)床主軸上配備萬(wàn)向角度頭來(lái)加工空間角度的面或孔系。角度頭可直接安裝在加工中心主軸上，通過(guò)加工中心主軸提供動(dòng)力源，將主軸的動(dòng)力經(jīng)角度頭內(nèi)部蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)傳遞給切削刀具，并且角度頭輸出軸與主軸的角度可在0°～90°內(nèi)調(diào)整，同時(shí)角度頭主軸端也可以在0～360°內(nèi)調(diào)整，真正意義上實(shí)現(xiàn)了空間角度范圍內(nèi)的無(wú)覆蓋加工(見圖5)[1]。

圖5 萬(wàn)向角度頭加工角度孔視圖 圖6 多托盤系統(tǒng)

1.2 當(dāng)前產(chǎn)品試制的發(fā)展?fàn)顩r

隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期越來(lái)越短，目前的試制產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展為多品種、小批量的加工模式，這就要求不僅加工機(jī)床需要有高柔性及快速調(diào)整能力，同樣機(jī)床的加工夾具及刀具也需要有高柔性及高通用性，這樣才能滿足試制產(chǎn)品日新月異的變化速度。

目前小批量產(chǎn)品的解決方案為通用夾具和普通機(jī)床或數(shù)控機(jī)床配套使用，例如組合夾具、電永磁夾具、精密平口鉗；大批量產(chǎn)品的解決方案為專用夾具和通用數(shù)控機(jī)床或數(shù)控專用機(jī)床配套使用，例如手動(dòng)夾具、液壓夾具、氣動(dòng)夾具。

2 托盤管理系統(tǒng)的介紹及應(yīng)用

2.1 多托盤系統(tǒng)在產(chǎn)品加工中的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)生產(chǎn)方式下的操作通常意味著只有40%的機(jī)械化率，因?yàn)榇罅康臅r(shí)間被浪費(fèi)在裝卸工件和運(yùn)轉(zhuǎn)工件、更換夾具上，但是如果通過(guò)引入自動(dòng)化和臥式加工中心，車間的設(shè)備利用率能夠提開到50%～80%，甚至95%。

自動(dòng)化最簡(jiǎn)單的形式是自動(dòng)換刀和自動(dòng)交換托盤。如果正確應(yīng)用的話，這兩種功能組合在一起能夠使臥式加工中心的利用率從50%增加到80%，但是要想使機(jī)床利用率躍升至90%以及更高，車間必須采取自動(dòng)化中的下一個(gè)步驟，即多托盤系統(tǒng)。

2.2 多托盤系統(tǒng)介紹及在產(chǎn)品加工中的應(yīng)用

雖然多托盤系統(tǒng)通常用在大批量車間，但是多托盤、通用托盤或托盤庫(kù)系統(tǒng)也能使從事多種類、小批量作業(yè)的車間能夠無(wú)人值守運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)床并自動(dòng)操作(見圖6)。例如，1個(gè)8托盤系統(tǒng)能夠適應(yīng)8種或者更多不同的工作加工，或者對(duì)同一個(gè)零件的多工序進(jìn)行一次性裝夾加工。實(shí)際上，這些系統(tǒng)能夠大大提高機(jī)床利用率并無(wú)需車間增加其人力資源(見圖7)[2]。

除了多托盤，很多機(jī)床制造商建議在車間建設(shè)時(shí)使用組合夾具和托盤管理系統(tǒng)。組合夾具可以使車間能夠迅速地在大約4 h內(nèi)通過(guò)夾具元件拼裝，而為任何工件制作快速穩(wěn)定的加工夾具。而如果制作定制的夾具，則會(huì)花費(fèi)更多的時(shí)間和人力。

圖7 多托盤系統(tǒng)在產(chǎn)品加工中的應(yīng)用

2.3 組合夾具在多托盤系統(tǒng)中的應(yīng)用

組合夾具是在機(jī)床夾具元件通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、執(zhí)行化、系列化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型夾具。它是由一套預(yù)先制造好的各種不同形狀、不同規(guī)格尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化組合夾具元件組裝而成。它如同兒童積木一樣靈活多變、裝卸自如。使用者可以根據(jù)不同零件的加工要求，選用部分標(biāo)準(zhǔn)化的組合夾具元件，便可以迅速組裝成各種類型的機(jī)床夾具(如：車、銑、鉆、檢驗(yàn)、焊接等)[2]。根據(jù)組合夾具是由能重復(fù)使用的標(biāo)準(zhǔn)化元件組裝而成的特點(diǎn)，元件之間的聯(lián)結(jié)要求應(yīng)定位準(zhǔn)確、聯(lián)結(jié)可靠、裝拆方便；根據(jù)元件之間定位聯(lián)結(jié)形式的不同，組合夾具分為槽系組合夾具和孔系組合夾具兩大類型(見圖8～10)。

(1) 槽系組合夾具：元件之間的定位聯(lián)結(jié)采用高精度的槽、鍵定位，螺栓緊固。

(2) 孔系組合夾具：元件之間的定位聯(lián)結(jié)采用高精度的孔、銷定位，螺栓緊固。

圖8 槽系組合夾具的應(yīng)用 圖9 槽系缸體組合夾具

圖10 槽系殼體組合夾具

2.4 組合夾具在產(chǎn)品加工中的優(yōu)勢(shì)

組合夾具在產(chǎn)品加工中存在著很大的優(yōu)勢(shì)，不只是大大縮短加工時(shí)間，其優(yōu)勢(shì)如下：

(1) 適用于多種工件夾持問(wèn)題，組合夾具元件有大、中、小、微幾個(gè)系列，適用于各種尺寸的零件裝夾。

(2) 加速新產(chǎn)品的試制，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。

(3) 節(jié)約夾具設(shè)計(jì)、制造工時(shí)和材料，從而降低了產(chǎn)品的制造成本。

(4) 可以大量替代工裝生產(chǎn)中的二類工裝。

(5) 為復(fù)雜的專業(yè)夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供模擬實(shí)驗(yàn)夾具。

(6) 均衡生產(chǎn)或解決急需夾具及處理生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

(7) 節(jié)約夾具存放的庫(kù)存面積。

使用組合夾具后，車間可拍下夾具的數(shù)碼照片，或使用組合夾具系統(tǒng)通常所包含的軟件記錄下它用到的特定夾具，這可以使車間能夠順利地重新裝配夾具，而不必因?yàn)橹貜?fù)的訂單而使擱架上堆滿夾具。

組合夾具安裝完成后，單元控制器將一個(gè)或多個(gè)加工中心連接到托盤交換系統(tǒng)并記住裝載到托盤陣列上的零件。所有零件程序及任意類型的夾具管理軟件通常駐留在單元控制器內(nèi)以提供“單點(diǎn)”操作。某些單元控制器甚至還接受不同零件設(shè)置的視頻或照片以供日后參考。

當(dāng)托盤裝載工件時(shí)單元控制器自動(dòng)將合適的零件程序發(fā)送給它預(yù)定的機(jī)床。單元控制器能使車間的產(chǎn)量增加而不必增添更多操作人員。

3 機(jī)器人輸送系統(tǒng)的介紹及應(yīng)用

3.1 機(jī)器人系統(tǒng)的介紹及應(yīng)用

雖然機(jī)器人主要應(yīng)用于大批量生產(chǎn)，但是如今的許多機(jī)床和制造設(shè)備供應(yīng)商提供一些專門為多種類、小批量操作的自動(dòng)化而設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)。

此機(jī)器人系統(tǒng)由一個(gè)機(jī)器人組成，它將工作的子托盤輸送到臥式加工中心內(nèi)，通常是一臺(tái)五軸機(jī)床。其內(nèi)有與加工中心的托盤相配的定位器，它可以確保每個(gè)被裝載的子托盤適合機(jī)床，因此機(jī)床知道子托盤的位置(見圖11、圖12)[3]。

由于子托盤適合機(jī)床，所以車間還能夠使這些托盤上的工件適合于機(jī)床。這消除了多余的步驟，不必測(cè)定工件在機(jī)床上的位置或者使工件適合于機(jī)床。當(dāng)使用傳統(tǒng)的托盤交換系統(tǒng)時(shí)，車間還必須使新夾具適合于機(jī)床并確保這些夾具上的零件正確定位。

這種機(jī)器人系統(tǒng)不像傳統(tǒng)托盤系統(tǒng)那樣水平地堆疊托盤，而是豎直地存放其子托盤。這使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)小空間，而且無(wú)需長(zhǎng)長(zhǎng)的托盤存放單元。該系統(tǒng)中只有工作設(shè)置站是水平的，所以操作人員在裝載零件時(shí)不必承受重力。這種機(jī)器人系統(tǒng)將機(jī)器人應(yīng)用于高混合、低產(chǎn)量工作。

圖11 機(jī)器人上下料系統(tǒng) 圖12 機(jī)器人系統(tǒng)

3.2 LM-8D機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例介紹

國(guó)外的Automated Concepts公司采取一種不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)多種類、小批量工作的自動(dòng)化。它的系統(tǒng)叫做LM-8D，是一個(gè)適合車間現(xiàn)有機(jī)床的獨(dú)立、現(xiàn)成的自動(dòng)化包。該系統(tǒng)包括Fanuc M 16i六軸機(jī)器人，一個(gè)雙向五屜零件送料器和一個(gè)Fanuc“B”型控制器。它通過(guò)使用諸如此類的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制組件，Automated Concepts公司能夠以低于100,000美元的價(jià)格供LM-8D，該價(jià)格比定制系統(tǒng)低大約25%～40%。許多車間告訴我們他們需要自動(dòng)化，但是他們住往被費(fèi)用和系統(tǒng)不夠靈活的想法所阻止，LM-8D解除了這兩個(gè)限制[3]。

車間將各種工件裝載到系統(tǒng)的送料器抽屜中，送料器抽屜的高度從5～8英寸可調(diào)，適合直徑從2.5～4.5英寸的工件；機(jī)器人然后打開一個(gè)獨(dú)立的抽屜隔板，移動(dòng)一個(gè)零件毛坯并將其裝載到等候的機(jī)床上；一旦加工完零件，機(jī)器人將其從機(jī)床上卸載，然后裝載另一個(gè)工件。

機(jī)器人使用一個(gè)三指抓爪系統(tǒng)來(lái)處理各種不同的零件形狀，該系統(tǒng)還包括另外六個(gè)鋁制指坯，它們可用于不同類型的零件。Automated Concepts公司通過(guò)機(jī)床的接口將它的機(jī)器人集成到機(jī)床上，所以要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的機(jī)床必須做好連接機(jī)器人的準(zhǔn)備，這也意味著機(jī)床必須能夠?qū)C(jī)器人連按到它的控制器(見圖13)[3]。

圖13 LM-8D機(jī)器人系統(tǒng)

除了上述優(yōu)點(diǎn)之外，LM-8D還便于移動(dòng)。因?yàn)樗臋C(jī)器人和抽屜單元用螺栓固定在由鋼絲安全柵包圍的同一個(gè)底座或工作臺(tái)上。當(dāng)它在一種類型的機(jī)床上執(zhí)行完工作后，車間可以方便地將用叉車將整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)到不同的機(jī)床上。LM-8D應(yīng)用于任意類型的機(jī)械加工操作——銑、車、磨和其它，向兩臺(tái)機(jī)床送料的LM-8D系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案現(xiàn)正在制定中，目前的型號(hào)被設(shè)計(jì)成一次只為一臺(tái)機(jī)床服務(wù)。

此外，由于機(jī)器人和屜式送料器位于同一個(gè)工作臺(tái)上，所以機(jī)器人始終知道送料器的位置。當(dāng)系統(tǒng)被移動(dòng)到不同的位置后，車間不必重新教會(huì)機(jī)器人送料器在哪兒。一旦系統(tǒng)定位，將系統(tǒng)連接到機(jī)床的I/O模塊，機(jī)器人便會(huì)準(zhǔn)確確定送料器的位置。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著當(dāng)今市場(chǎng)產(chǎn)品更新?lián)Q代的日新月異，為了緊跟市場(chǎng)變化，現(xiàn)代的產(chǎn)品已經(jīng)趨向于多品種、小批量的加工模式，這就需要新產(chǎn)品的試制做出快速高效的反應(yīng)，就需要高柔性、高精度的加工中心及相配套的旋轉(zhuǎn)四軸、回轉(zhuǎn)B軸及角度頭來(lái)輔助加工零件，更需要效率更高、自動(dòng)化程度更高的機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)完成新產(chǎn)品的試制加工。希望此種先進(jìn)的車間產(chǎn)品加工方式給新產(chǎn)品試制加工提供參考，緊跟時(shí)代步伐。

[1] 先進(jìn)制造技術(shù). 萬(wàn)向角度頭應(yīng)用[EB/OL] http://www.baike.com/; 2010.7.15.

[2] 孫大涌.先進(jìn)制造技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[3] 吳振彪.工業(yè)機(jī)器人[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社,2006.

Discussion on Development Trend of Processing Product Method

TONG Xiang-rong1, CHEN Zheng-hong1, ZHAO Fu-cheng1, WANG Rui-ping1,2

(1.NingboGeelyRoyalEngineComponentsCo.,Ltd,NingboZhejiang315336,China；2.ZhejiangGeelyRoyalEngineCo.,Ltd,NingboZhejiang315336,China)

In current manufacturing field, different types of goods are requested under the condition of same production as much as possible. By introducing pallet control system and robot conveyor system applied in the workshop, the better understanding of the advanced product-processing method in the workshop is got, which provides reference for processing-product method in the workshop and keeps up with the time.

pilot production；built-up jig；salver supervision system；robot conveyer system

2014-01-16

童向榮(1981-)，男，陜西西安人，工程師，主要從事工裝夾具、柔性制造系統(tǒng)以及專用組合機(jī)床等新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)與研究。

TG75

A

1007-4414(2014)02-0191-04