柔性制造系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、柔性制造系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)中的應(yīng)用作者：奇瑞汽車(chē)股份有限公司 楊厚忠    來(lái)源：AI汽車(chē)制造業(yè)當(dāng)前，車(chē)型的市場(chǎng)壽命周期越來(lái)越短，小批量、多品種生產(chǎn)成為各大汽車(chē)廠商的追求目標(biāo)。與此相適應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)制造模式也必須適應(yīng)多品種、不同批量的市場(chǎng)需求。由于市場(chǎng)需求的多樣性，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期加快，促使許多發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)先后引進(jìn)了以加工中心為主體的柔性生產(chǎn)線柔性制造系統(tǒng)（FMS）。它能夠根據(jù)制造任務(wù)和生產(chǎn)環(huán)境變化迅速進(jìn)行調(diào)整，適應(yīng)多品種、中小批量的生產(chǎn)需求。 奇瑞公司的發(fā)動(dòng)機(jī)二廠是根據(jù)汽車(chē)制造業(yè)多品種、柔性化生產(chǎn)的需求而建造的一個(gè)具有國(guó)際領(lǐng)先水平的現(xiàn)代化柔性工廠。該工

2、廠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)就采用同步工程并充分預(yù)留后期產(chǎn)品的共用性，以便根據(jù)市場(chǎng)及產(chǎn)品需求，在生產(chǎn)線上共線生產(chǎn)多個(gè)品種。 圖1 柔性制造系統(tǒng)下面以該廠為例，介紹柔性生產(chǎn)在箱體和軸類(lèi)生產(chǎn)中的應(yīng)用及實(shí)際使用中所需考慮的問(wèn)題。 柔性生產(chǎn)線 一般柔性制造系統(tǒng)由以下組成部分： 2臺(tái)以上數(shù)控加工設(shè)備或加工中心及相應(yīng)的輔助設(shè)備；自動(dòng)裝卸的運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)；套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 奇瑞發(fā)動(dòng)機(jī)箱體類(lèi)零件的主要加工部分均是由數(shù)十臺(tái)全柔性加工中心組成，幾個(gè)加工中心組成一個(gè)工島柔性制造單元（FMC）。各個(gè)柔性制造單元之間均通過(guò)自動(dòng)輥道或機(jī)械手連接起來(lái)，其中還包括所必需的清洗、壓裝、試漏、珩磨、在線測(cè)量、線外測(cè)量設(shè)備以及切削液集中處理裝置等。

3、輔助設(shè)備一般采用通過(guò)式輥道輸送上料，并通過(guò)型號(hào)識(shí)別，選擇相應(yīng)的工位及試漏、擰緊程序。在柔性制造單元內(nèi)，由全自動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行上下料，整線設(shè)有數(shù)個(gè)機(jī)械手。在生產(chǎn)線的自動(dòng)輥道上，設(shè)置有產(chǎn)品型號(hào)自動(dòng)識(shí)別裝置，機(jī)械手、輥道及加工中心通過(guò)Profibus總線連接起來(lái)，由一套西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)控制各部分的一致性。同時(shí)，控制計(jì)算機(jī)還能根據(jù)各機(jī)床的加工情況，選擇最優(yōu)的上下料順序，并根據(jù)設(shè)定的范圍，將需要抽檢的工件自動(dòng)放入檢測(cè)站。 圖2 柔性制造單元每個(gè)FMC中都由幾道工序組成，每道工序分別由多臺(tái)相同型號(hào)的加工中心組成。每個(gè)FMC前面是上料輥道，后面是下料輥道及檢測(cè)站。各個(gè)FMC之間也是相應(yīng)的輥道，可以起到工件暫存

4、作用。 加工中心是FMC最核心的部分，F(xiàn)MC中的加工中心采用大容量刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)，可以滿足多品種生產(chǎn)所需的快速換刀及刀具存儲(chǔ)需求。系統(tǒng)具有刀具壽命管理、激光刀具折斷檢測(cè)和ARTIS扭矩監(jiān)控等豐富的刀具監(jiān)控管理功能，使得設(shè)備的自動(dòng)化及可靠性得到有效充分的保證。 奇瑞發(fā)動(dòng)機(jī)二廠的軸類(lèi)生產(chǎn)線也是由高精度加工中心、CNC自動(dòng)車(chē)床和全自動(dòng)磨，以及拋光、清洗及檢測(cè)等各個(gè)制造單元FMC所組成的柔性制造系統(tǒng)FMS。 舉例來(lái)說(shuō)，凸輪軸生產(chǎn)線內(nèi)的機(jī)床選用了Siemens 840D、FANUC18i這些目前頂尖的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)FMS的自動(dòng)控制；通過(guò)奇瑞的技術(shù)人員與機(jī)床、控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商的共同研究，在原有平臺(tái)上新擴(kuò)展和

5、開(kāi)發(fā)了多種控制功能和軟件。例如端面加工單元，其控制系統(tǒng)為Siemens 840D，為了配合多品種生產(chǎn)所需的大容量刀具存儲(chǔ)單元以及高速切削中的刀具壽命管理，Siemens數(shù)控系統(tǒng)中增加了ARTIS刀具檢測(cè)軟件，在切削過(guò)程中檢測(cè)主軸電機(jī)扭矩的變化，通過(guò)仿真及對(duì)比來(lái)監(jiān)控刀具狀態(tài)，確保加工的可靠性及穩(wěn)定性。同時(shí)，生產(chǎn)線的自動(dòng)控制系統(tǒng)還擴(kuò)展了主動(dòng)檢測(cè)功能，在切削過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)加工尺寸進(jìn)行檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)反饋至控制系統(tǒng)，隨機(jī)修正切削參數(shù)，以保證加工精度。 運(yùn)儲(chǔ)技術(shù)直接關(guān)系到FMS的自動(dòng)化程度以及可靠性，影響生產(chǎn)線的物流、開(kāi)通率及品種切換周期等。軸類(lèi)生產(chǎn)線利用高速龍門(mén)式機(jī)械手以及帶工件識(shí)別功能的中轉(zhuǎn)料倉(cāng)組成了生

6、產(chǎn)線的運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)，機(jī)械手在X軸的運(yùn)行速度可達(dá)120m/min，同時(shí)能夠根據(jù)各個(gè)加工單元發(fā)送的上料信號(hào)，在控制系統(tǒng)中通過(guò)高速、高精度的計(jì)算，在0.01s內(nèi)確定出最優(yōu)化路徑的上料次序，保證生產(chǎn)線的加工節(jié)拍。 凸輪軸生產(chǎn)線的運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)還考慮到高濕環(huán)境以及地區(qū)地基的特點(diǎn)，增加了溫度的自動(dòng)補(bǔ)償以及地基下沉補(bǔ)償功能。系統(tǒng)能夠周期性地檢測(cè)外界環(huán)境的變化以及自身精度的差異，通過(guò)系統(tǒng)中模塊化軟件的計(jì)算，進(jìn)行自我診斷及補(bǔ)償，減少定位偏差。 凸輪軸生產(chǎn)線能夠共線加工多種型號(hào)的凸輪軸，加工范圍覆蓋了長(zhǎng)度范圍300600mm的三缸/四缸汽/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)用凸輪軸，可以說(shuō)建立這樣一條柔性生產(chǎn)線，相當(dāng)于建立了7條以上的傳統(tǒng)凸輪軸線

7、，其意義已不僅是一個(gè)柔性制造系統(tǒng)，而是一個(gè)凸輪軸制造集中廠。 FMS的主要特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)多品種共線生產(chǎn)，同時(shí)各品種之間的切換能夠快速且較為簡(jiǎn)單的完成。此生產(chǎn)線通過(guò)尋找及對(duì)比多型號(hào)軸共同的定位及裝夾基準(zhǔn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)最為便捷的換型。 圖3 凸輪軸生產(chǎn)線柔性加工案例 根據(jù)市場(chǎng)需求，奇瑞公司2006年開(kāi)發(fā)了新的鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)，為縮短投產(chǎn)周期，公司決定在原有鑄鋁缸體線上進(jìn)行共線生產(chǎn)。通過(guò)產(chǎn)品的對(duì)比分析，我們對(duì)機(jī)械手的夾爪、夾具的定位銷(xiāo)及夾爪進(jìn)行了調(diào)整和更換，同時(shí)，增加相應(yīng)的刀具，修改加工程序和機(jī)械手的輸送控制程序，擴(kuò)展工件型號(hào)裝置?？刂品矫妫覀?cè)跈C(jī)床操作界面上對(duì)加工類(lèi)型的選擇進(jìn)行了擴(kuò)展，在機(jī)械手系統(tǒng)上增加了鑰

8、匙開(kāi)關(guān)選擇加工類(lèi)型。在生產(chǎn)換型中，切換機(jī)床上的NC程序選擇1.6L、1.8L或者2.0L的產(chǎn)品程序，并在機(jī)械手上選擇相應(yīng)的鑄鐵或鑄鋁工件，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)控制型號(hào)識(shí)別裝置放行相應(yīng)的工件，機(jī)械手自動(dòng)調(diào)用上下料程序，并自動(dòng)調(diào)整上下料位置，機(jī)床則根據(jù)程序進(jìn)行加工。整個(gè)單元的一致性由機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。由于生產(chǎn)線采用的是3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的柔性制造單元，因此，可以一個(gè)單元一個(gè)單元的換型，即當(dāng)?shù)诙?、第三加工單元還在加工鋁缸體時(shí)，第一加工單元已經(jīng)進(jìn)行了鑄鐵缸體的生產(chǎn)。 奇瑞公司的72系列發(fā)動(dòng)機(jī)是裝載在QQ系列車(chē)型上的一款自主研發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)，2005年，隨著QQ的熱銷(xiāo)，為補(bǔ)充72系列發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)能，我們?cè)诎l(fā)動(dòng)機(jī)

9、廠的481缸蓋線上抽出部分加工中心來(lái)加工72系列產(chǎn)品。由于兩個(gè)產(chǎn)品差異較大，因此我們采用了更換夾具的方式，將372的夾具安裝在481加工中心的托盤(pán)上，把372設(shè)備原有的數(shù)控加工程序直接拷貝過(guò)來(lái)，即可快速投入生產(chǎn)。 除了能共線生產(chǎn)同類(lèi)型的產(chǎn)品，還可利用自制組合夾具在箱體類(lèi)個(gè)別工序能力富余的設(shè)備上進(jìn)行進(jìn)氣管的加工。組裝夾具和程序編制同時(shí)進(jìn)行，只用了2天時(shí)間，就完成了進(jìn)氣管設(shè)備的調(diào)試。生產(chǎn)結(jié)束后，拆下組合夾具，重新裝上缸蓋的夾具，設(shè)備又立即恢復(fù)了正常的加工。 利用加工中心的柔性特點(diǎn)，對(duì)于已經(jīng)定型的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，多個(gè)品種在一條線上生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)更為明顯。奇瑞公司新建的一條缸蓋線可共線加工數(shù)個(gè)品種，包含汽油機(jī)和柴

10、油機(jī)。由于這些產(chǎn)品都已基本定型，因此夾具和上料系統(tǒng)可以進(jìn)行通用設(shè)計(jì)，刀具的設(shè)計(jì)也充分考慮多品種共用，以便節(jié)約成本并減少換刀時(shí)間。由于輸送輥道及上料裝置上設(shè)置了型號(hào)識(shí)別，夾具上也進(jìn)行了防錯(cuò)設(shè)計(jì)，機(jī)床已經(jīng)具備了混流生產(chǎn)能力。 此外，產(chǎn)品切換也是多品種共線的關(guān)鍵部分。以軸類(lèi)品種切換為例，首先，操作者在產(chǎn)品切換的界面中選定將要切換的型號(hào)，系統(tǒng)會(huì)提取事前輸入在系統(tǒng)中此型號(hào)對(duì)應(yīng)的換型內(nèi)容，提示及監(jiān)控整個(gè)換型過(guò)程；運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)中機(jī)械手的夾爪為伺服電機(jī)控制，由自動(dòng)化控制系統(tǒng)發(fā)出指令，夾爪自動(dòng)調(diào)整到位，同時(shí)機(jī)械手會(huì)返回完成信號(hào)至控制系統(tǒng)；機(jī)械手上還具備診斷開(kāi)關(guān)，對(duì)位置進(jìn)行判斷，如發(fā)現(xiàn)調(diào)整不到位，會(huì)立即反饋至控制系統(tǒng)

11、，發(fā)出報(bào)警，由操作者根據(jù)報(bào)警提示信息進(jìn)行下一步的操作；機(jī)床的夾具部分可通過(guò)伺服系統(tǒng)在幾秒內(nèi)自動(dòng)調(diào)整到位，部分輔件需要人工進(jìn)行調(diào)整或更換。生產(chǎn)線各制造單元，對(duì)于人工更換的部分均配備了機(jī)械輔助模塊及接近開(kāi)關(guān)判斷，以保證換型的快捷和準(zhǔn)確無(wú)誤。例如，生產(chǎn)線上的凸輪磨床，磨床在不同品種切換時(shí)，需要更換卡盤(pán)頂尖以及中心架的位置，在機(jī)床一側(cè)配備一個(gè)工具臺(tái)，工具臺(tái)內(nèi)放置不同型號(hào)凸輪軸所對(duì)應(yīng)的工裝。每套不同型號(hào)的工裝都通過(guò)信號(hào)開(kāi)關(guān)與操作系統(tǒng)相連接，由操作系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，如操作者忘記更換相應(yīng)的頂尖，系統(tǒng)將提示并報(bào)警。只有所有相應(yīng)的工裝全部拿出去并安裝在機(jī)床內(nèi)部，同時(shí)原機(jī)床內(nèi)部被更換下的工裝放回工具臺(tái)內(nèi)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)判斷

12、后才能確定換型完成，發(fā)出可以繼續(xù)加工的指令。 生產(chǎn)線通過(guò)自動(dòng)控制及在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控下的人工調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)品種間的切換，生產(chǎn)線的品種切換可在15min內(nèi)完成，保證了FMS的高柔性化、高效率。 FMS應(yīng)用的注意事項(xiàng) FMS的使用對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃及生產(chǎn)組織提出了更高的要求。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，以下幾點(diǎn)應(yīng)引起注意： 1. 根據(jù)產(chǎn)品系列特點(diǎn)，決定是否選擇及選擇何種程度的柔性制造系統(tǒng)。當(dāng)生產(chǎn)綱領(lǐng)比較大（超過(guò)30萬(wàn)），后續(xù)系列產(chǎn)品較少且產(chǎn)品比較穩(wěn)定時(shí)，不太合適選擇柔性系統(tǒng)。 2. 根據(jù)產(chǎn)品工藝特點(diǎn)，確定加工單元的分布，并選擇合適的物流運(yùn)輸儲(chǔ)備方式。 3. 生產(chǎn)線產(chǎn)品差別較大時(shí)，為減少夾具更換時(shí)間，應(yīng)盡量采用備用

13、托盤(pán)，更換時(shí)夾具和托盤(pán)一起更換，減少安裝及調(diào)整時(shí)間。 4. 在生產(chǎn)線規(guī)劃階段，要明確后期加工產(chǎn)品的范圍及材料，確定機(jī)床加工行程范圍、功率扭矩等的選型。 5. 由于生產(chǎn)線產(chǎn)品較多，產(chǎn)品的型號(hào)識(shí)別及防錯(cuò)非常重要，產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工藝規(guī)劃時(shí)應(yīng)考慮充分，否則會(huì)導(dǎo)致撞刀甚至損壞機(jī)床。 6. 柔性生產(chǎn)換型，主要是夾具和刀具及程序的更換。夾具主要考慮夾具的輪廓尺寸，機(jī)床和夾具液壓油路的接口及控制；當(dāng)批量小、品種較多時(shí)，可以考慮采用通用的組合夾具。刀具主要考慮刀柄接口形式，機(jī)床最大裝刀直徑及長(zhǎng)度，合適的刀庫(kù)容量。設(shè)備上應(yīng)采用刀具壽命監(jiān)控、備用刀具自動(dòng)選擇、刀具破損檢測(cè)及刀具扭矩監(jiān)控等裝置。 7. 針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)制造來(lái)說(shuō)

14、，柔性系統(tǒng)除了加工，還要考慮其他輔助設(shè)備，如試漏、清洗等，可以采用隨行夾具或多工位方式，通過(guò)型號(hào)識(shí)別，自動(dòng)選擇加工工位，實(shí)現(xiàn)柔性化。 8. 生產(chǎn)部門(mén)應(yīng)合理組織生產(chǎn)，畢竟每次換型都會(huì)有加工效率的損失，包括首件檢測(cè)等。尤其是在需要更換或調(diào)整的情況下，時(shí)間的損失及加工精度風(fēng)險(xiǎn)很大。 9. 由于后期產(chǎn)品擴(kuò)充的需要，柔性制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng)應(yīng)選擇通用的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，整條線的控制系統(tǒng)應(yīng)盡量一致。 FMS的發(fā)展方向 目前，F(xiàn)MS的控制技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了較高的水平，集成化、標(biāo)準(zhǔn)化以及模塊化程度日益提高，自動(dòng)化控制系統(tǒng)制造商以及用戶都根據(jù)實(shí)際運(yùn)用不斷開(kāi)發(fā)出新的平臺(tái)及控制軟件。 FMS日后的發(fā)展重點(diǎn)在于對(duì)控制技術(shù)在生產(chǎn)線上的延伸，開(kāi)發(fā)新的控制平臺(tái)，通過(guò)仿真、模擬以及高位的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)、自維護(hù)功能；在日常加工過(guò)程中，自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)以達(dá)到最佳狀態(tài)，從而具備自組織、自安排的能力，真正實(shí)現(xiàn)高速、高效和全自動(dòng)的柔性制造單