柔性制造系統在中高速柴油機機體生產中的應用研究

張艷飛

摘 要：以柴油機機體柔性制造系統加工應用為研究課題，對柔性制造技術涉及的設備選型、場地布局、在線檢測、工藝設計、物料流轉、質量控制等幾方面進行了具體分析和研究。

關鍵詞：柔性制造系統；柴油機機體；應用研究

隨著鐵路的快速發展，因不同種類貨運對機車功率、速度的差異化需要，貨運內燃機車多品種、小批量產品的需求愈來愈明顯。作為內燃機車的核心，柴油機的可靠性是內燃機車性能綜合優勢的重點之一。因柴油機組裝零件的產品精度及質量是柴油機整機穩定性的重要保障，為適應多批量、小品種的生產需求，確保產品質量及加工效率，采用適宜的柔性制造系統用于產品加工是將來機械產品加工的方向之一。在此筆者以柴油機機體為例對柔性制造系統應用進行了探索研究。

1.柔性制造系統概述

柔性制造系統是由統一的信息控制系統、物料儲運系統和一組數字加工設備組成，能適應加工對象變換的自動化機械制造系統（Flexible Manufacturing System），英文縮寫FMS[1]。FMS的工藝基礎是成組技術，它按照成組的加工對象確定工藝過程，選擇相適應的數控加工設備和工件、工具等物料的儲運系統，并由計算機進行控制，能自動調整并實現一定范圍內多種工件的成批高效生產，并能及時地進行生產產品轉換以滿足不同顧客需求。FMS兼有加工制造和部分生產管理兩種功能，因此能綜合地提高生產效益。通過制造資源的整合，柔性制造系統體現出設備利用率高、生產能力相對穩定、產品質量高、運行靈活和產品應變能力大的優點。

2.在機械制造業，柔性制造系統由以下基本組成部分

自動加工系統---以成組技術為基礎，把結構尺寸、重量相似，材料相同，工藝相似的零件集中在一臺或數臺數控機床或專用機床等設備上加工的系統。

物流系統---由多種運輸裝置構成，如傳送小車、軌道、轉盤以及機械手等，完成工件、刀具等的供給與傳送的系統，它是柔性制造系統主要的組成部分。

信息系統---對加工和運輸過程中所需各種信息收集、處理、反饋，并通過電子計算機或其他控制裝置（液壓、氣壓裝置等），對機床或運輸設備實行分級控制的系統。本文所述的信息包括刀具管理信息、物料信息、生產組織信息及機床運轉安全信息等。

軟件系統---保證柔性制造系統用電子計算機進行有效管理的必不可少的組成部分。它包括設計、規劃、生產控制和系統監督等軟件。

筆者在此介紹的柔性制造系統，是將多臺可以調整的機床（在本文中為龍門式加工中心、高速鉆銑床以及三坐標測量機）聯結起來，配以自動運送裝置組成的生產線，該生產線可以加工批量較大的不同規格零件。

3.事業部機體柔性制造系統方案設計

在綜合分析產品特點后，我們選擇柔性制造系統方案，以龍門式加工中心為基礎，配合在線檢測設備---三坐標測量機進行在線數據監控，同時配置數控高速鉆銑床用于平衡生產線之間工序負荷，以托盤自動交換系統為物料運輸載體，通過刀具自動更換、機床故障診斷系統、自動加工、定位夾緊設計等方案，構成一套緊密的自動生產控制、執行系統，確保所加工機體的質量及效率。

4. 事業部機體柔性制造系統方案實施

機床設備選型方案：作為柴油機的核心關鍵件，機體對機床精度要求極高，公司所選配3臺精加工機床重復定位精度全行程范圍內小于0.006mm，旋轉軸小于4秒，機床主軸功率大于60KW，機床各運動軸導軌為靜壓導軌，托盤規格2m×5m，數控系統選用Siemens840Dsl，機床可5軸聯動（X、Y、Z、B、C），為降低機床配置價格，W軸（橫梁）采用強力潤滑導軌，作為定位軸使用，不參與切削。

基于整條生產線產能均衡考慮，公司在生產線上配備一臺高速鉆銑床，承擔螺紋孔系的加工以及非重要安裝面的精加工。該機床采用龍門式結構，主軸轉速5000r/min，主軸扭矩1000N.m，銑削速度可達30000m/min，機床各軸加速度達到2m/m2。

系統定位方案：為解決托盤與機床工作臺之間的定位問題，確保每次定位的一致性，通過選擇圓銷—菱形銷的定位方式解決上述定位難題（設計時2銷不在同一軸線上從而保證定位精度）。托盤由鏈式傳送帶送至工作臺固定位置后，在液壓裝置推動下，托盤在夾緊下降的過程中，托盤上的定位孔嵌入機床工作臺上的定位銷處，實現定位夾緊。工件與夾具之間也采用類似定位方案。定位夾緊示意圖如下：

測量基準方案：為做到加工與測量基準的一致，設計基準—曲軸孔與曲軸孔止推面--精加工完畢后重新進行Y＼Z向基準與X向基準測量，以加工后的設計基準加工其他特征。測量時加工機床與三坐標測量機均選擇雷尼紹探針進行檢測，二者均選取相同的測量基準，保證了測量基準的一致性。

在線檢測方案：加工時為保障測量體系的精確性及準確性，對現場檢測量具進行了Gage R&R;測試，即量具的重復性及可再現性測試。量具的重復性意即一個人使用同一量具重復測量同一特征的變化， 也稱 “儀器變化” 或 “EV”。再現性表示兩人或多人使用同一量具測量同一特征的變化， 也稱“評價者變化”或“AV”。

實際測量時根據實際值與測量值之間的標準差，通過如下公式計算出測量系統總誤差：

在機體生產線上的人工測量工具GR&R;在10%-30%之間，因三坐標測量機不存在再現性的問題，因此只做了重復性，即GR，該項%公差低于10%。

工藝方案：因機體對加工精度要求較高，加工工序多、生產制造流程長，為充分發揮設備產能，對機體生產制造流程進行了優化，粗加工時各面孔預留1.5mm余量，在該生產線上僅承擔產品精加工，具體從軸承蓋裝配之前的精銑開始，直至機體上孔系的加工，具體流程如下：

物料組織：按照工序平衡設計以及精益生產原則，對工位耗時進行測算，按照機床負荷進行物料配送。該項工作可在柔性系統控制界面中做好物料傳遞指令，按設定時間間隔傳遞待加工件。為應對異常情況的發生，在該界面上也可轉為手動操作，通過手動設置指令指示托盤運轉。

質量控制：為做好產品加工在線質量控制工作，除人工檢測外，由三坐標測量機擔當工序之間的測量工作，根據機床設備的CPK計算，對關鍵重要尺寸進行100%檢測，其余尺寸進行10%的抽測。通過在線檢測的施行，可及時發現生產過程中的變異，很好的控制產品質量。所測量結果經過在線傳輸進入相應數據庫，通過專業軟件如MiniTab進行分析，便于質量工程師及時發現加工過程中尺寸的變異過程，進而采取措施防止異變過程的加劇。

5、結束語

在機械加工行業我國已經有多條以臥式加工中心為主建立的柔性制造系統并取得了較好的應用效果，但以龍門式加工中心為主要設備，采用交換系統方式加工大型柴油機零件還處于應用探索階段，筆者在本文中結合實際需要，從機床選型、場地布局、物料運轉、工藝定制以及在線檢測、質量控制幾方面進行了相關應用研究，希望能給讀者一些啟發。受限于現有知識面及應用經驗不足，文中存在不足之處在所難免，懇請各位指正。

參考文獻

[1]沈向東著.柔性制造技術.機械工業出版社，2013.04

[2]孫燕華著.先進制造技術.電子工業出版社，2012.07

[3]曹軍著.多品種小批量機加工車間數字化制造模式及支持系統研究.[學位論文]，重慶大學，2012.05

[4]王連生著.精益生產與精益六西格瑪實戰.中國質檢出版社， 2012.04

[5]林洪著.柔性制造技術綜合實訓.機械工業出版社，2012.10