汽車剎車盤自動(dòng)加工生產(chǎn)線及其電氣控制

李尚波 劉少杰

（1.濟(jì)南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，濟(jì)南 250200；2.山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，濟(jì)南 250031)

汽車工業(yè)是目前我國機(jī)械制造業(yè)中的第一大行業(yè)，眾多零部件生產(chǎn)商為整車制造廠配套。剎車盤作為汽車零部件中的易損件，需求量巨大，全國每年約需6億片。剎車盤生產(chǎn)企業(yè)遍布山東、浙江、廣東、福建、湖北、河北等地。目前，這類企業(yè)大多采用通用數(shù)控車床或盤類零件數(shù)控專機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率低，遠(yuǎn)不能滿足日益增強(qiáng)的市場需求。生產(chǎn)方式的落后也制約了產(chǎn)品性能和質(zhì)量的提升，故而產(chǎn)業(yè)升級迫在眉睫，迫切需要高度自動(dòng)化、智能化、信息化的新一代生產(chǎn)裝備。該類設(shè)備的研發(fā)也正是“中國制造2025”的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。在這樣的形勢下，龍口藍(lán)牙數(shù)控裝備有限公司研發(fā)了一款汽車剎車盤自動(dòng)加工生產(chǎn)線，能夠滿足產(chǎn)業(yè)升級的需求。

1 自動(dòng)線概述

剎車盤零件是典型的適合于數(shù)控車床上加工的盤類回轉(zhuǎn)體零件，如圖1所示。由圖1可知，該類零件的加工主要經(jīng)過三道工序，一是下方各面（內(nèi)外圓、端面、臺(tái)階面）的車削；二是上方各面（內(nèi)外圓、端面、臺(tái)階面）的車削；三是孔系加工。下文分別將其簡稱為1序、2序和3序。

在單件小批量生產(chǎn)的情況下，人們往往把前兩道工序合二為一，通過兩次裝夾（掉頭裝夾）在同一臺(tái)車床上完成。由于兩次裝夾占用的輔助時(shí)間過長，且兩道工序只能依次加工而不能并行運(yùn)行，總加工時(shí)間完全累加，使生產(chǎn)效率極其低下。

面對目前大批量生產(chǎn)的市場需求，很多企業(yè)使用兩臺(tái)車床，使1序、2序兩道工序并行進(jìn)行，加工周期顯著縮短。然而，兩臺(tái)獨(dú)立車床上工件的裝卸、車床間工件的傳輸完全由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低且無法獲得完全的可靠性和穩(wěn)定性。車削完成后還要轉(zhuǎn)運(yùn)至鉆孔工段完成3序，即最后的孔系加工。各工序加工單元獨(dú)立而松散，仍然無法實(shí)現(xiàn)快節(jié)奏、高效率的加工。

針對以上問題，藍(lán)牙自動(dòng)線把各工序加工單元有機(jī)地結(jié)合到一條自動(dòng)加工生產(chǎn)線中，如圖2所示。其把1序、2序兩工序的兩臺(tái)車床以倒立車和正立車的形式結(jié)合到一臺(tái)雙路徑（共享床身）正倒立車上，隨后是完成孔系加工的鉆削中心，中間是傳輸工件的機(jī)械手。其中，第一路徑的倒立車用安裝在Z、X方向可移動(dòng)的主軸部件上的倒置卡盤從上方抓卡工件后，與固定于下方的刀架相對運(yùn)動(dòng)，正好完成第一道工序的加工。1序加工完成后，工件移動(dòng)到第二路徑正立車的卡盤上方，兩卡盤對接交接工件。交接完成后，第二路徑的立式固定卡盤從下方抓卡工件，由上方該路徑的刀架Z、X方向運(yùn)動(dòng)，正好完成第二道工序的加工；同時(shí)，路徑1卡盤回退，于自動(dòng)線入口上料位置抓卡工件，進(jìn)行下一個(gè)工件第一道工序的加工。序2加工完成后，由機(jī)械手卸料、移動(dòng)、轉(zhuǎn)位，將工件快速輸送到安裝于鉆削中心工作臺(tái)上的立式卡盤中，進(jìn)行最后的孔系加工。而立車兩路徑在再一次卡盤對接后進(jìn)行各自工序的加工。如此，通過全部三道工序的并行加工和工件在兩卡盤之間的動(dòng)態(tài)快速對接以及機(jī)械手快速傳輸工件，人們實(shí)現(xiàn)了汽車剎車盤零件快節(jié)奏和高效率的加工；而立車兩路徑并行加工、正倒立車卡盤動(dòng)態(tài)對接以及機(jī)械手和兩臺(tái)機(jī)床協(xié)調(diào)動(dòng)作則是該自動(dòng)線的控制要點(diǎn)。

圖1 剎車盤零件示例

圖2 汽車剎車盤自動(dòng)加工生產(chǎn)線

2 正倒立車兩路徑并行加工

如圖2所示，把一臺(tái)倒立車（回轉(zhuǎn)刀架固定于下方的床座，工件主軸倒置安裝并在床身或橫梁上做Z、X方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)）和一臺(tái)普通立車（主軸部件固定于下方的床座，刀架部件在床身或橫梁上做Z、X方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)）共用一套基礎(chǔ)支承件（床座、床身），就形成了本自動(dòng)線上的正倒立車。也就是說，本自動(dòng)線上的正倒立車擁有兩套立式車削運(yùn)動(dòng)部件，可獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)兩組車削運(yùn)動(dòng)——主運(yùn)動(dòng)和Z、X方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。FANUC CNC把每一套類似這樣的運(yùn)動(dòng)部件及其運(yùn)動(dòng)叫做一個(gè)路徑。每一個(gè)路徑有其專門的程序存儲(chǔ)區(qū)保存自己的程序，并可同時(shí)獨(dú)立地從這些存儲(chǔ)區(qū)調(diào)用并運(yùn)行各自的程序從而實(shí)現(xiàn)各路徑并行的切削加工運(yùn)動(dòng)或其他輔助動(dòng)作，如上下料等。對FANUC 0i-TF CNC而言，可以控制2個(gè)切削加工路徑外加2個(gè)外圍設(shè)備路徑。利用FANUC 0i-F CNC的這種多路徑控制功能，即可實(shí)現(xiàn)正倒立車兩路徑的并行加工。

為使FANUC CNC多路徑控制功能生效，人們需做正確的設(shè)置。其中最基本的就是配置各路徑，即把各進(jìn)給軸及主軸分配到相應(yīng)的路徑。參數(shù)【0981】是進(jìn)給軸參數(shù)，由它確定該進(jìn)給軸所屬的路徑，其取值即為所屬路徑的路徑號；參數(shù)【0982】是主軸參數(shù)，由它確定該主軸所屬的路徑，其取值亦為所屬路徑的路徑號。本例中參數(shù)【0981】、【0982】的設(shè)置如表1所示。

表1將機(jī)床分為兩個(gè)路徑，所有其他與加工有關(guān)的參數(shù)，都要在每個(gè)路徑中分別設(shè)置。因?yàn)椴僮鹘缑嬷挥幸惶祝瑢γ總€(gè)路徑而言，有些畫面（如自動(dòng)加工時(shí)的程序檢查畫面）可以同時(shí)顯示出來，其他畫面則只能按路徑單獨(dú)顯示，此時(shí)就需要用路徑選擇信號來切換畫面。

3 正倒立車卡盤動(dòng)態(tài)對接

兩卡盤動(dòng)態(tài)對接交接工件過程：

（1）路徑2中工件2序完成停車→卡盤打開，等待路徑1中下一個(gè)工件1序完成（用等待M代碼同步），工件由機(jī)械手取出并送往鉆削中心；

表1 正倒立車路徑配置

（2）路徑1中工件1序完成→路徑2主軸（卡盤）按下一步切削速度啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)→路徑1主軸切換為與路徑2主軸的轉(zhuǎn)速同步方式跟隨變速，至轉(zhuǎn)速一致（同步完成），同時(shí)X方向（橫向）快移至路徑2卡盤上方；

（3）路徑1卡盤Z方向下移至工件到達(dá)路徑2卡盤定位面→路徑2卡盤夾緊→路徑1卡盤松開→路徑1主軸（卡盤）Z向上移，對接完成。

上述動(dòng)態(tài)對接的關(guān)鍵是兩主軸同步旋轉(zhuǎn)。

FANUC 0i-TF CNC 用參數(shù) SSS【3704#4】、【4831】、【4832】配置同步主軸：在SSS取值為1的前提下，【4831】或【4832】在路徑內(nèi)或跨路徑為每一個(gè)從動(dòng)主軸指定其主動(dòng)主軸，對主動(dòng)主軸本身而言，該兩參數(shù)取值均為0。根據(jù)上述動(dòng)態(tài)對接過程，本例中路徑2立車主軸和路徑1倒立車主軸分別作為主從主軸，兩參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 同步主軸配置（SSS【3704#4】=1）

用指令信號SPSYC1__G288.0啟動(dòng)路徑1主軸（從動(dòng)主軸）與路徑2主軸（主動(dòng)主軸）的同步過程，前者即按后者的S指令啟動(dòng)或變速。當(dāng)兩主軸轉(zhuǎn)速差達(dá)到參數(shù)【4033】設(shè)定的范圍時(shí)，系統(tǒng)返回狀態(tài)信號FSPSY1__F288.0，指示同步就緒，即可進(jìn)行同步對接的下一步動(dòng)作。對接完成后，撤銷指令信號SPSYC1__G288.0，兩主軸即獨(dú)立，執(zhí)行各自的S指令。

除主軸轉(zhuǎn)速同步外，F(xiàn)ANUC 0i-TF CNC還可以指令相位同步，以實(shí)現(xiàn)非回轉(zhuǎn)體表面工件的對接。

4 機(jī)械手動(dòng)作協(xié)調(diào)

本自動(dòng)線機(jī)械手作為其鉆削中心的上料部件，其動(dòng)作由鉆削中心控制系統(tǒng)（采用FANUC 0i-MF CNC，下文簡稱M系統(tǒng)，同時(shí)簡稱前工序所用的FANUC 0i-TF CNC為T系統(tǒng)）的PMC控制。機(jī)械手動(dòng)作包括橫向（左右）移動(dòng)、豎直（上下）移動(dòng)和180°旋轉(zhuǎn)，分別用3個(gè)PMC控制軸實(shí)現(xiàn)。機(jī)械手要和工件的前后兩加工工序協(xié)調(diào)動(dòng)作，就是要在前面的工件2序完成時(shí)進(jìn)行前工序的卸料和后面的鉆削中心處于等待時(shí)為其上料。為鉆削中心上料是M系統(tǒng)內(nèi)部控制，而前工序的卸料需要兩個(gè)系統(tǒng)同步，是協(xié)調(diào)機(jī)械手的關(guān)鍵。本例通過特定的M代碼以及PMC輸入輸出信號實(shí)現(xiàn)機(jī)械手動(dòng)作和前工序加工的協(xié)調(diào)。

如前所述，當(dāng)兩個(gè)工件的2序和3序分別在立車和鉆削中心上加工時(shí)，機(jī)械手在自己的等待位置上等待。前工序加工完成時(shí)，T系統(tǒng)路徑2執(zhí)行輔助代碼M40，產(chǎn)生輸出信號Y7.0。T系統(tǒng)的此輸出信號連接于M系統(tǒng)的輸入信號X15.0。當(dāng)X15.0由0變1時(shí)，M系統(tǒng)啟動(dòng)機(jī)械手為前工序卸料。工件卸出后M系統(tǒng)也產(chǎn)生輸出信號Y7.0，該信號同樣連接于T系統(tǒng)的輸入信號X15.0。當(dāng)X15.0由0變1時(shí)，T系統(tǒng)路徑2中的M40執(zhí)行結(jié)束，開始其下一個(gè)加工周期，同時(shí)復(fù)位Y7.0，M系統(tǒng)的X15.0隨即還原，此時(shí)也復(fù)位其Y7.0，造成T系統(tǒng)的X15.0還原。這樣，所有相關(guān)信號復(fù)位還原，等機(jī)械手為鉆削中心上料完成歸為等待時(shí)，做好下一次兩系統(tǒng)通信的準(zhǔn)備。

5 結(jié)語

藍(lán)牙汽車剎車盤自動(dòng)加工生產(chǎn)線巧妙利用正倒立車從兩個(gè)不同方向布局的卡盤抓卡工件，通過卡盤對接快速動(dòng)態(tài)完成二次裝夾，再利用快速運(yùn)動(dòng)機(jī)械手從車床到鉆削中心傳輸工件；使用FANUC 0i-F系統(tǒng)的多路徑控制功能和主軸同步功能等，實(shí)現(xiàn)了快節(jié)奏、高效率的汽車剎車盤零件加工，節(jié)拍達(dá)到100s。該自動(dòng)線的試制，也是貫徹落實(shí)“中國制造2025”快速制造、智能制造戰(zhàn)略的有效嘗試。