龍門(mén)加工中心功能部件時(shí)序分布優(yōu)化研究

蔣文瀟，徐林波，項(xiàng)軍波，張宇杰，汪金濤，趙巖

(寧波海天精工股份有限公司，浙江寧波 315800)

0 前言

裝備制造業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床朝著自動(dòng)化、集成化、柔性化的方向發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也正朝著一次裝夾就能完成多道工序的方向發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能需要加裝功能部件，一般情況下功能部件包括刀庫(kù)和頭庫(kù)，因此帶刀庫(kù)和頭庫(kù)的加工中心得到了廣泛的應(yīng)用。機(jī)床發(fā)展到今日，人們釆用各種新方法和新技術(shù)來(lái)提高加工效率。在多次換刀換頭的過(guò)程中，保證換刀換頭動(dòng)作可靠準(zhǔn)確的同時(shí)再進(jìn)一步縮短其耗時(shí)，可以達(dá)到提高生產(chǎn)率的目的，這里的換刀指的是更換數(shù)控機(jī)床刀具，換頭指的是在主軸鼻端增加或者移除多功能附件銑頭，下文均以“換刀換頭”指代。因此作者對(duì)如何提升換刀換頭的效率進(jìn)行了系統(tǒng)化的研究，獲得了優(yōu)異的成果，并且應(yīng)用于產(chǎn)品。

1 基于FMA元?jiǎng)幼鞣治鰞?yōu)化

1.1 元?jiǎng)幼鞯慕Y(jié)構(gòu)化分解

機(jī)床實(shí)現(xiàn)換頭換刀功能時(shí)運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，且運(yùn)動(dòng)涉及的零部件較多。利用“功能-運(yùn)動(dòng)-動(dòng)作(Functions Movement Action，F(xiàn)MA)”的分解方法提取傳動(dòng)系統(tǒng)中可靠性分配的最小粒度(即元?jiǎng)幼?。整體功能是通過(guò)一些部件的子功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而部件的運(yùn)動(dòng)子功能是由基本的“元?jiǎng)幼鳌眮?lái)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的最終耗時(shí)也體現(xiàn)在“元?jiǎng)幼鳌鄙稀Ｒ簿褪钦f(shuō)整體耗時(shí)偏長(zhǎng)的原因可以歸結(jié)于“元?jiǎng)幼鳌钡牟缓侠砘蛘咂渑挪嫉牟缓侠?。例如立臥刀庫(kù)的刀架的回轉(zhuǎn)、從刀庫(kù)抓取刀具；龍門(mén)機(jī)床的進(jìn)給、主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；氣動(dòng)門(mén)的打開(kāi)和閉合等功能。而刀庫(kù)部件的子功能是刀庫(kù)的備刀和換刀等動(dòng)作，這些運(yùn)動(dòng)功能又是由其內(nèi)部的元?jiǎng)幼鳈C(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在機(jī)電系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，元?jiǎng)幼髦g會(huì)相互影響，而這種影響也會(huì)根據(jù)動(dòng)作的屬性而不相同，元?jiǎng)幼髦g存在相互耦合的關(guān)系或順序關(guān)系。研究類(lèi)似換頭這種復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)存在較多的耦合關(guān)系；而換刀動(dòng)作，液壓系統(tǒng)存在較多的順序關(guān)系。因此，可以以“功能-運(yùn)動(dòng)-動(dòng)作”作為主線(xiàn)，將數(shù)控機(jī)床的主軸滑枕部件、刀庫(kù)部件、頭庫(kù)部件作為一個(gè)換刀換頭系統(tǒng)(后文簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng))，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分解，得到最基本的元?jiǎng)幼鳎鳛镸TM時(shí)間分析的基礎(chǔ)，這種分解方式稱(chēng)為基于FMA的結(jié)構(gòu)化分解。其分解原則為：

(1)元?jiǎng)幼鲉卧莫?dú)立性原則。為了減少元?jiǎng)幼鲉卧g的耦合，保證實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的機(jī)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立。

(2)元?jiǎng)幼鲉卧锢斫Y(jié)構(gòu)的完整性原則。在進(jìn)行分解時(shí)，每一個(gè)元?jiǎng)幼鞫家型暾慕Y(jié)構(gòu)，否則元?jiǎng)幼鳠o(wú)法實(shí)現(xiàn)，也無(wú)法建立完整的分析模型。

(3)元?jiǎng)幼鲉卧Y(jié)構(gòu)的最小性原則。為保證合理的分解程度，要確保分解的功能、運(yùn)動(dòng)、動(dòng)作與機(jī)床硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，以便在元?jiǎng)幼鲗用妾?dú)立地進(jìn)行動(dòng)作分析、節(jié)拍設(shè)計(jì)、電氣控制、元?jiǎng)幼鲀?yōu)化試驗(yàn)和系統(tǒng)試驗(yàn)。

(4)元?jiǎng)幼鲉卧慕Y(jié)構(gòu)層次性原則。FMA分解要體現(xiàn)明顯的層次性，按層次分解會(huì)降低元?jiǎng)幼鏖g的耦合度，也便于從元?jiǎng)幼鞯慕M合排布預(yù)測(cè)MTM模式下的總時(shí)間。

(5)元?jiǎng)幼鲉卧闹攸c(diǎn)突出性原則。事實(shí)上，在分解到元?jiǎng)幼鲗用婧?，單元之間的可靠性、時(shí)間消耗的重要程度都不相同，在建模和分析時(shí)要抓住重點(diǎn)。這里將分解的最小動(dòng)作單元作為“元?jiǎng)幼鳌?，例如刀?kù)動(dòng)作分解到最下一層為液壓控制的左移、右移、旋轉(zhuǎn)、伸出、縮回等動(dòng)作。根據(jù)FMA結(jié)構(gòu)分解原則對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分解得到圖1所示的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)化分解示意。

圖1 運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)化分解示意

1.2 元?jiǎng)幼鲀?yōu)化分析

動(dòng)作排布的思路為先試驗(yàn)液壓與電氣控制調(diào)整速度的可行性，然后優(yōu)化元?jiǎng)幼鞯呐挪家赃_(dá)到3個(gè)子系統(tǒng)在不同維度上更大比例的重疊。在此過(guò)程中要消除時(shí)間浪費(fèi)，盡量避免對(duì)硬件的更改，或者說(shuō)優(yōu)化硬件的這種提高效率的方法作為最后的選項(xiàng)。根據(jù)FAM結(jié)構(gòu)化分解原則的第5條，元?jiǎng)幼鲉卧闹攸c(diǎn)突出性原則，先對(duì)功能層和動(dòng)作層進(jìn)行優(yōu)化重點(diǎn)分析。此次分析采用功能層上的排除法，在實(shí)際生產(chǎn)中氣動(dòng)移門(mén)的運(yùn)動(dòng)速度受緩沖結(jié)構(gòu)的限制，在硬件不更改的基礎(chǔ)上無(wú)法提高，直接排除；同理旋轉(zhuǎn)頭庫(kù)暫時(shí)也無(wú)法提速。主軸跟直角頭的松夾刀和打刀動(dòng)作由于行程短、反應(yīng)快，耗時(shí)均低于0.5 s；同理旋轉(zhuǎn)頭庫(kù)目前速度是在電磁閥能承受最大壓力下,因此也不作為提效的重點(diǎn)選項(xiàng)。

(1)換刀系統(tǒng)的元?jiǎng)幼?，全都是通過(guò)液壓系統(tǒng)控制，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電磁閥流量以達(dá)到加快液壓動(dòng)作速度，最終達(dá)到減少時(shí)間、提高效率的目的。但是提效的同時(shí)也伴隨著刀庫(kù)系統(tǒng)可靠性的降低。通過(guò)大量試驗(yàn)對(duì)刀庫(kù)元?jiǎng)幼鬟M(jìn)行了提速，試驗(yàn)過(guò)程中要保證樣本數(shù)據(jù)的可靠性，主要檢測(cè)每個(gè)換刀動(dòng)作時(shí)間的穩(wěn)定性和機(jī)械臂在動(dòng)作過(guò)程中機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)情況，最后需要計(jì)算提速情況下刀庫(kù)的機(jī)械壽命，保證滿(mǎn)足合乎要求。同時(shí)保證刀庫(kù)系統(tǒng)保持在安全閾值以?xún)?nèi)情況下，得到如表1的提升效果。加權(quán)之后前、后比較有45%的時(shí)間縮減，有效提高了換刀系統(tǒng)中刀庫(kù)本身的動(dòng)作效率。

表1 刀庫(kù)效率提升對(duì)照

(2)換頭系統(tǒng)和主軸滑枕系統(tǒng)是由電氣控制其速度，包括但不限于軸平移、軸平移、軸轉(zhuǎn)位等元?jiǎng)幼?。為了方便?chē)間調(diào)試，所有機(jī)型的換刀換頭PMC程序保持一致，快移速度一致。而快移的極限速度與移動(dòng)部件質(zhì)量有關(guān)，以精工機(jī)床中滑枕部件質(zhì)量最大的GNU500方滑枕為例進(jìn)行軸最大快移的可行性校核。已知進(jìn)給系統(tǒng)移動(dòng)部件的質(zhì)量(kg)、加速度(m/s)、導(dǎo)軌摩擦因數(shù)、重力加速度，則移動(dòng)部件加速所產(chǎn)生的合力計(jì)算公式：

=++

式中：為加速力;為摩擦力;為重力，只有垂軸才會(huì)產(chǎn)生重力，而且移動(dòng)部件向下運(yùn)動(dòng)為正、向上運(yùn)動(dòng)為負(fù)?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可以得到=5 300 kg,=0.83 m/s,=0.03,=9.8 m/s,計(jì)算得=47 578 N，移動(dòng)部件加速力矩計(jì)算公式：

又知滾珠絲杠螺距=10 mm，絲杠的傳動(dòng)效率=0.9，則由移動(dòng)部件的慣量加速所產(chǎn)生的絲杠的加速力矩=81.1 N·m。絲杠自身加速力矩：

=263 kg·cm, 滾珠絲杠最大轉(zhuǎn)速等同于軸電機(jī)極限轉(zhuǎn)速=1 000 r/min。機(jī)床坐標(biāo)快速移動(dòng)速度=10 m/s, 故滾珠絲杠克服自身慣量的加速力矩=13.8 N·m,由于平衡油缸平衡了65%的力。電動(dòng)機(jī)最大輸出力矩計(jì)算公式：

絲杠與伺服電動(dòng)機(jī)之間的減速機(jī)構(gòu)的減速比為=1，=0.9，則按機(jī)床快移時(shí)計(jì)算電動(dòng)機(jī)需要的最大輸出力矩=36.9 N·m,由選擇的電機(jī)型號(hào)aiS50/2000-B,得到其伺服電機(jī)特性曲線(xiàn)如圖2所示，可以反向證明，即使在配重型銑頭的情況下電機(jī)扭矩仍舊能夠保證軸能達(dá)到最大快移速度10 m/s的要求。

圖2 aiS50/2000-B伺服電機(jī)特性曲線(xiàn)

得到一個(gè)結(jié)論：在GNU500方滑枕機(jī)型帶頭情況下仍舊可以滿(mǎn)足軸快移10 m/min的極限速度。因此將軸快速平移速度5 m/min改為10 m/min，同理軸快速平移速度5 m/min改為10 m/min。以GNU32配500方滑枕機(jī)型換頭過(guò)程為例

(2-1)+(2-1)=3.2/5+2/5=0.26 min=15.6 s

每個(gè)機(jī)型由于換刀過(guò)程中軸行程和軸行程各不相同，節(jié)約的時(shí)間也不相同(行程越長(zhǎng)節(jié)約時(shí)間越多)，但是至少可以看出成效非常明顯。

已對(duì)各個(gè)機(jī)型帶頭情況下的最大快移速度逐一校核，在此不一一贅述。

由于從加工狀態(tài)轉(zhuǎn)為換刀或者換頭狀態(tài)過(guò)程中,自動(dòng)直角頭需要頻繁轉(zhuǎn)位，原先轉(zhuǎn)位速度1 000(°)/min，現(xiàn)經(jīng)過(guò)車(chē)間長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)，在PMC系統(tǒng)參數(shù)中將轉(zhuǎn)速改為6 000(°)/min,以轉(zhuǎn)動(dòng)270°計(jì)算，每次轉(zhuǎn)位時(shí)長(zhǎng)由16.2 s變?yōu)?.7 s。

關(guān)于換頭元?jiǎng)幼鲿r(shí)序排布，由于規(guī)避干涉、插銷(xiāo)對(duì)接等需要，將直角頭放入旋轉(zhuǎn)頭庫(kù)，做如圖3所示形式的排布。自此基于元?jiǎng)幼鞯男侍嵘瓿?，所有元?jiǎng)幼髟诒ＷC安全可靠與機(jī)械結(jié)構(gòu)基本不變條件下，已經(jīng)達(dá)到了效率的最優(yōu)化。

圖3 直角頭放置動(dòng)作示意

2 基于甘特圖分析的不同維度疊加優(yōu)化

2.1 甘特圖的機(jī)械化應(yīng)用

龍門(mén)加工中心換刀換頭流程十分繁瑣，由庫(kù)運(yùn)動(dòng)化分解得到的功能層互相之間有些具有順承關(guān)系，有些互不統(tǒng)屬，各個(gè)機(jī)型不同配置之間機(jī)械差異較大，這就造成了系統(tǒng)中各功能層之間時(shí)序關(guān)系極其復(fù)雜，造成了時(shí)序動(dòng)作規(guī)劃的難度，以致于以往動(dòng)作規(guī)劃粗糙，整個(gè)“系統(tǒng)”耗時(shí)較長(zhǎng)。

為了對(duì)“系統(tǒng)”進(jìn)行合理分類(lèi)、準(zhǔn)確估算、變更控制和時(shí)序規(guī)劃，引入甘特圖作為輔助工具，進(jìn)行基于功能層的有效分析。

甘特圖是近現(xiàn)代管理學(xué)上的有效工具之一，甘特圖技術(shù)在項(xiàng)目管理中廣泛應(yīng)用。甘特圖以圖示通過(guò)活動(dòng)列表和時(shí)間刻度表示出特定項(xiàng)目的順序與持續(xù)時(shí)間。一個(gè)線(xiàn)條圖，橫軸表示時(shí)間(單位s)，縱軸表示項(xiàng)目，線(xiàn)條表示期間計(jì)劃和實(shí)際完成情況，直觀表明各個(gè)動(dòng)作所用時(shí)長(zhǎng)和動(dòng)作之間的銜接和聯(lián)動(dòng)關(guān)系。

現(xiàn)根據(jù)甘特圖定義進(jìn)行機(jī)械化應(yīng)用。機(jī)械化的甘特圖包含以下3個(gè)含義：(1)以不同顏色區(qū)別不同動(dòng)作；(2)以填充格子的長(zhǎng)短以及位置表示動(dòng)作的起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻；(3)以縱軸方向的重疊情況表示銜接和聯(lián)動(dòng)關(guān)系。

2.2 換頭換刀系統(tǒng)基于甘特圖的理論優(yōu)化

基于功能層的不同組合，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，將分析“子系統(tǒng)”分為直角頭換立式罩、立式罩換直角頭、刀庫(kù)立式換刀、刀庫(kù)臥式換刀。換頭系統(tǒng)的時(shí)序性?xún)?yōu)化一共經(jīng)歷了2個(gè)階段：第一階段通過(guò)元?jiǎng)幼鞯男侍嵘蛪嚎s時(shí)間空擋安全預(yù)留時(shí)間保證動(dòng)作的緊湊銜接；第二階段是根據(jù)動(dòng)作之間的聯(lián)系與PMC宏程序的限制，在不同維度上實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的高效聯(lián)動(dòng)，在甘特圖上的表現(xiàn)即為消除空擋、增加重疊區(qū)域。以GLU直角頭換立式罩為例，如圖4所示。

圖4 換頭時(shí)序優(yōu)化進(jìn)程

同理?yè)Q刀系統(tǒng)時(shí)序優(yōu)化如圖5所示。

圖5 換刀時(shí)序優(yōu)化進(jìn)程

3 基于宏程序的程序優(yōu)化

3.1 宏程序概述

宏編程是在程序中使用變量，通過(guò)對(duì)變量進(jìn)行賦值及處理的方法達(dá)到程序功能的編程方式。這種有變量的程序叫宏程序。

3.2 基于宏程序的優(yōu)化

通過(guò)之前的優(yōu)化基本上在理論上實(shí)現(xiàn)了有限條件下?lián)Q刀換頭時(shí)效最優(yōu)化，并且得出了甘特圖作為表現(xiàn)方式的動(dòng)作關(guān)系示意。應(yīng)用于實(shí)踐必須將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可讀取的PMC程序。由于宏程序的優(yōu)越性，作者以之前完成的宏程序?yàn)榛A(chǔ)，編制新的宏程序。改進(jìn)重點(diǎn)為1個(gè)換刀宏程序、3個(gè)換頭宏程序。程序所占篇幅過(guò)大，以換頭宏程序?yàn)槔?，?jiǎn)述改進(jìn)后換刀宏程序內(nèi)部的變化：

……

IF[#1013NE1]GOTO75

G91G01Y[-100.0*#101]F2400

(Y軸平移進(jìn)入頭支架，4倍速度，600改為2400)

G4X0.1

N75G91G01Z[-25.0*#101]F2000

(放頭Z軸下移，4倍速度，500改為2000)

IF[#1017EQ1]GOTO76

/2M00

N76

M195(ATT.UNCLAMP)

G4X0.5

M134(PULL STUD UNCLAMP)

G91G01Z[25.0*#101]F2000(放完頭，Z軸上移，4倍速度，500改為2000)

(IF[#1017EQ1]GOTO80)

(/2M00)

N80

M110

IF[#1014NE1]GOTO3001

M111

M110

G90G53G00Z0

M135

IF[#621EQ1]GOTO108

(如果下一步要抓立式罩，跳過(guò)C軸轉(zhuǎn)位)

……

4 實(shí)際優(yōu)化數(shù)據(jù)(以GRUⅡ32[13]機(jī)型為例)

改進(jìn)前后立式換刀總時(shí)長(zhǎng)對(duì)比、臥式換刀總時(shí)長(zhǎng)對(duì)比(不包括軸轉(zhuǎn)位)、直角頭換立式罩改進(jìn)前后總時(shí)長(zhǎng)對(duì)比、立式罩換直角頭改進(jìn)前后總時(shí)長(zhǎng)對(duì)比分別如表2—表5所示。

表2 自制立臥刀庫(kù)立式換刀總時(shí)長(zhǎng)對(duì)比

表3 自制立臥刀庫(kù)臥式換刀總時(shí)長(zhǎng)對(duì)比(不包括C軸轉(zhuǎn)位)

表4 直角頭換立式罩改進(jìn)前后總時(shí)長(zhǎng)對(duì)比

表5 立式罩換直角頭改進(jìn)前后總時(shí)長(zhǎng)對(duì)比

5 總結(jié)

從基于FMA的元?jiǎng)幼鲀?yōu)化、基于甘特圖分析的動(dòng)作優(yōu)化排布、基于宏程序的程序優(yōu)化再到試驗(yàn)應(yīng)用，本文作者提供了從動(dòng)作分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)再到電氣實(shí)施的一整套理論方法。通過(guò)科學(xué)系統(tǒng)的分析以及試驗(yàn)，大大提高了換刀換頭效率，并且為后續(xù)進(jìn)一步提效提供理論依據(jù)。考慮到該流程具有普遍適應(yīng)性，后續(xù)可應(yīng)用于更加復(fù)雜的多維度動(dòng)作排布，以提高機(jī)床生產(chǎn)效率。