鐵路軸承磨削加工桁架機(jī)械手自動(dòng)線應(yīng)用開發(fā)

付煥清 麻 輝 劉玉生 李維軍

(寧夏巨能機(jī)器人系統(tǒng)有限公司，寧夏銀川 750021)

結(jié)合目前鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾约案咚勹F路迅速發(fā)展，國內(nèi)生產(chǎn)的大型、精密、專用軸承不能滿足要求、絕大部分仍需要依賴進(jìn)口。軸承行業(yè)又屬于傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型行業(yè)，整體裝備制造自動(dòng)化水平落后，隨著企業(yè)用工成本上升及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的要求，單純的設(shè)備性能的提高，對(duì)提高生產(chǎn)效率的貢獻(xiàn)是非常有限的。只有制造模式和管理模式的變革，才能讓生產(chǎn)效率得到飛躍式的提高。集自動(dòng)化、柔性化和智能化于一身的制造模式將是今后制造業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。

本文介紹的自動(dòng)生產(chǎn)線是由端面高精磨床、滾道精密磨床、內(nèi)孔磨床、擋邊磨床、圓錐滾子無心磨床、桁架自動(dòng)機(jī)械手上下料、物流系統(tǒng)、檢測(cè)裝置等組成。整條線的內(nèi)圈、外圈研磨工序內(nèi)容分為:細(xì)磨、精磨和超精3道工序，均采用桁架機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)上下料磨削加工。生產(chǎn)線附加信息化生產(chǎn)管理系統(tǒng)與智能化監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)立總控室，具有生產(chǎn)任務(wù)管理支持、質(zhì)量信息采集與分析監(jiān)控、生產(chǎn)線裝備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控及快速處理等功能，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備互聯(lián)與集中控制，為創(chuàng)建數(shù)字化工廠打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

1.1 基本信息

該自動(dòng)化生產(chǎn)線加工工件為鐵路軸承(圖1)，生產(chǎn)線要求兼容3種鐵路軸承,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為:年產(chǎn)鐵路軸承10萬套。自動(dòng)生產(chǎn)線平均無故障運(yùn)行時(shí)間(MTBF)1 000 h以上。鐵路軸承外圈加工節(jié)拍包括裝夾時(shí)間共計(jì)175 s，內(nèi)圈加工節(jié)拍包括裝夾時(shí)間共計(jì)90 s。

1.2 工藝方案

按照自動(dòng)生產(chǎn)線要求:集成精磨各工序加工，兼容3種不同規(guī)格鐵路軸承，同時(shí)考慮實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人化運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)生產(chǎn)線在配置磨床的基礎(chǔ)上，增加集輸送、翻轉(zhuǎn)、退磁、清洗于一體的自動(dòng)物流料道，工件的轉(zhuǎn)序使用桁架機(jī)械手進(jìn)行上下料。

根據(jù)大批量加工要求，制定如下加工工藝:

(1)鐵路軸承(內(nèi)圈)磨加工工藝流程:

粗磨端面(雙端面)——粗磨內(nèi)外徑滾道——粗磨擋邊——粗磨內(nèi)徑——附加回火——細(xì)磨端面(雙端面)——細(xì)磨內(nèi)外徑滾道——細(xì)磨內(nèi)徑——精磨滾道——細(xì)磨擋邊——超精滾道、擋邊。

(2)鐵路軸承(外圈)磨加工工藝流程:

粗磨端面(雙端面)——粗磨外徑(無心)——粗磨滾道、牙口(雙溝、雙牙口一次磨)——附加回火——細(xì)磨端面(雙端面)——細(xì)磨外徑——精磨外徑、細(xì)磨滾道、牙口(雙溝、雙牙口一次磨)——精磨滾道、牙口(雙溝、雙牙口一次磨)——超精滾道、砂帶拋光外徑。

根據(jù)以上工藝路線及工廠實(shí)際情況:將內(nèi)圈的細(xì)磨、精磨和超精3道最重要工序共5臺(tái)高精磨床及1臺(tái)超精機(jī)連線使用自動(dòng)化加工(圖2)。將外圈的細(xì)磨、精磨和超精3道最重要工序共4臺(tái)高精磨床及1臺(tái)超精機(jī)連線使用自動(dòng)化加工(圖3)。在自動(dòng)化方面，外圈采用2臺(tái)雙豎軸機(jī)械手進(jìn)行上下料，內(nèi)圈采用3臺(tái)四軸桁架機(jī)械手進(jìn)行上下料。

1.3 自動(dòng)線布局

設(shè)計(jì)時(shí)考慮生產(chǎn)節(jié)拍和整條生產(chǎn)線產(chǎn)能的要求，自動(dòng)上下料時(shí)間不占用機(jī)床磨削加工時(shí)間，因此，在布局上，內(nèi)圈生產(chǎn)線使用3臺(tái)四軸桁架機(jī)械手和5臺(tái)精密磨床組成。同時(shí)附加上料道，完成上料任務(wù)。每臺(tái)磨床之間配置退磁，清洗，翻轉(zhuǎn)為一體的料道，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)序的功能。內(nèi)圈加工過程存在工件的多角度安裝要求，因此四軸桁架機(jī)械手的設(shè)計(jì)滿足了不同角度，安裝中心不在同一軸線的使用要求。

整體內(nèi)圈自動(dòng)生產(chǎn)線(圖4)采用串聯(lián)的方式，3套豎軸機(jī)械手服務(wù)5道工序。其中Y1負(fù)責(zé)OP10，OP20工序，Y2負(fù)責(zé)OP30，OP40工序，Y3負(fù)責(zé) OP50工序。毛坯經(jīng)過每道工序加工完成后，都會(huì)通過四軸桁架機(jī)械手將工件轉(zhuǎn)入退磁、清洗、轉(zhuǎn)序料道，在OP50工序完成后，最終經(jīng)過細(xì)磨擋邊工序后，轉(zhuǎn)入超精滾道擋邊工序，完成軸承內(nèi)圈磨削加工。

外圈生產(chǎn)線使用2臺(tái)雙豎軸桁架機(jī)械手和4臺(tái)精密磨床組成。同時(shí)附加上料道，退磁，清洗，翻轉(zhuǎn)為一體轉(zhuǎn)序料道，形成整體化的自動(dòng)化生產(chǎn)線。外圈加工過程工件存在姿態(tài)轉(zhuǎn)換，考慮到工件外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工件整體重量，桁架機(jī)械手采用同一托板的雙豎軸結(jié)構(gòu)，在完成上料的同時(shí)，進(jìn)行下料動(dòng)作，提高機(jī)床的利用率。

外圈自動(dòng)生產(chǎn)線(圖5)同樣采用串聯(lián)的方式，兩套雙豎軸機(jī)械手，服務(wù)4道工序。其中Y1負(fù)責(zé)OP10，OP20工序，Y2負(fù)責(zé) OP30，OP40工序，經(jīng)過退磁、清洗、轉(zhuǎn)序料道轉(zhuǎn)入超精滾道、外徑工序，完成軸承外圈磨削加工。

雙豎軸Y1桁架機(jī)器人的機(jī)械手Z1從上料道將工件抓取，等到OP10細(xì)磨外徑工序完成工件第一序加工后，機(jī)械手進(jìn)入機(jī)床內(nèi)部，Z2先把加工完成的工件卸下，Z1移動(dòng)到工件安裝位置，將毛坯工件安裝到夾具上，然后退出機(jī)床加工區(qū)域，將工件放入退磁清洗料道，經(jīng)過翻轉(zhuǎn)，改變工件姿態(tài)，機(jī)械手Z2抓取工件后，快速進(jìn)入OP20精磨外徑工序等待區(qū)域，當(dāng)機(jī)床完成工件OP20精磨外徑的加工后，Y1機(jī)械手執(zhí)行和OP10相同的動(dòng)作，將工件進(jìn)行交換，OP20工序完成后，Y1桁架機(jī)械手將完成的工件放入退磁清洗料道，經(jīng)過翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)入OP30工序，雙豎軸Y2桁架機(jī)器人執(zhí)行同Y1類似動(dòng)作，OP40完成品由退磁清洗料道轉(zhuǎn)序到超精滾道外徑工序，完成軸承外圈的磨削加工。

2 自動(dòng)線組成

利用寧夏巨能機(jī)器人系統(tǒng)有限公司的GSF400，GST300桁架機(jī)械手，上下料道，中間料道及退磁清洗系統(tǒng)，無錫機(jī)床股份有限公司的3MK2025、3MK2125、3MK2225、3MK2332軸承專用磨床組成磨削自動(dòng)生產(chǎn)線。完全實(shí)現(xiàn)鐵路軸承柔性生產(chǎn)制造，自動(dòng)化上下料，自動(dòng)退磁，自動(dòng)沖洗以及信息化生產(chǎn)管理。

2.1 桁架機(jī)械手

因?yàn)殍F路軸承加工方式多角度要求及國內(nèi)磨床發(fā)展實(shí)際現(xiàn)狀，單一的兩軸或三軸機(jī)械手已經(jīng)不能滿足自動(dòng)上下料的要求。四軸桁架機(jī)械手(XYZ三個(gè)直線軸及W軸旋轉(zhuǎn)軸)滿足了不同位置及角度的上下料方式，避免了繁雜的調(diào)整環(huán)節(jié)，使加工設(shè)備和自動(dòng)線擺放更加的自由，提高了自動(dòng)線的柔性功能。GSF400四軸桁架機(jī)械手(圖6)相關(guān)參數(shù)如下:

(1)X/Y/Z三個(gè)直線軸聯(lián)動(dòng)及W軸旋轉(zhuǎn)軸，具備柔性送料功能，高速、高效、低成本。

(2)X/Y/Z軸移動(dòng)速度:80/60/60 m/min，W軸旋轉(zhuǎn)速度:15 r/min。

(3)手爪抓取單個(gè)工件重量:20 kg。

(4)重復(fù)定位精度:±0.1 mm。

(5)W軸±360°自由旋轉(zhuǎn)有效解決工件任意角度擺放要求。

GST300雙豎軸機(jī)械手(圖7)，采用模塊化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)在上下料過程中，一個(gè)豎軸進(jìn)行負(fù)責(zé)工件上料，另一個(gè)豎軸負(fù)責(zé)工件下料，有效縮減了機(jī)床停機(jī)等待的上下料時(shí)間，特別適合工件較重，加工節(jié)拍要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，相對(duì)傳統(tǒng)采用人工上下料方式，提高了數(shù)控機(jī)床的利用率。GST300雙豎軸桁架機(jī)械手相關(guān)參數(shù)如下:

(1)X/Y1/Y2軸移動(dòng)速度:100/80/80 m/min。

(2)手爪抓取單個(gè)工件重量:30 kg。

(3)重復(fù)定位精度:±0.1 mm。

2.2 磨床

磨床采用無錫機(jī)床股份有限公司生產(chǎn)的高精密內(nèi)圓磨床、外圓磨床、滾道磨床、擋邊磨床，滿足軸承精加工需要。設(shè)備采用西門子802D－SL數(shù)控系統(tǒng)，滿足組建數(shù)字化工廠的設(shè)備要求。同時(shí)精加工工序磨床，配置自動(dòng)在線測(cè)量及自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加工過程中產(chǎn)品質(zhì)量的智能化控制管理。

2.3 物流系統(tǒng)

在軸承磨加工過程中，必須解決軸承套圈清潔問題，才能保證后序的裝夾及加工精度。生產(chǎn)線研制了集中輸送、翻轉(zhuǎn)、退磁、清洗于一體的自動(dòng)物流料道(圖8)，在有效解決清洗問題的前提下，最大程度實(shí)現(xiàn)了最小的占地面積，實(shí)現(xiàn)工廠長時(shí)間無人化自動(dòng)加工。輸送速度2 m/min，90°自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，退磁功能小于0.5×10－3T，應(yīng)用傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)及高效清洗，提高產(chǎn)品過程質(zhì)量控制能力，并實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程智能化控制管理。

2.4 生產(chǎn)線管理系統(tǒng)

系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)以太網(wǎng)通訊技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，把機(jī)床工位與上層控制計(jì)算機(jī)集成連接在一起，實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)車間自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)化管理。管理系統(tǒng)分為以下幾個(gè)模塊:程序傳輸管理系統(tǒng)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集分析管理和車間實(shí)時(shí)可視化反饋系統(tǒng)。整個(gè)生產(chǎn)線管理系統(tǒng)通過對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和分析，從而改善生產(chǎn)設(shè)備的總體生產(chǎn)運(yùn)行效率，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

車間可視化管理模塊中，將車間的布局按比例模擬到系統(tǒng)中，建立一個(gè)強(qiáng)大的電子看板，向企業(yè)用戶決策者提供真實(shí)的車間任務(wù)、人員和設(shè)備狀態(tài)信息，是有效改善企業(yè)制造過程的管理方法。

程序傳輸管理模塊中，通過掃描槍掃描工單上的條形碼或者通過宏程序呼叫，服務(wù)器自動(dòng)向機(jī)床發(fā)送程序，完成程序下載功能。在程序上傳方面，所有程序直接從機(jī)床上傳，服務(wù)器獲得數(shù)據(jù)后自動(dòng)保存管理。

生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集分析管理模塊中，分為機(jī)床視圖和工廠視圖兩個(gè)部分，通過數(shù)據(jù)長期采集記錄，進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，對(duì)管理者改善工廠管理提供數(shù)據(jù)支持。通過對(duì)產(chǎn)品過程質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)記錄，對(duì)應(yīng)各工序檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)工件序列號(hào)，直接進(jìn)入系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)每一件產(chǎn)品的質(zhì)量追溯管理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期管理。

3 生產(chǎn)線實(shí)施現(xiàn)狀

本自動(dòng)生產(chǎn)線集工藝、設(shè)備、物流傳輸及信息控制技術(shù)為一體，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)高度自動(dòng)化的基礎(chǔ)裝備，同時(shí)也是對(duì)鐵路軸承制造的全面解決方案。本項(xiàng)目已經(jīng)經(jīng)過驗(yàn)收，達(dá)到相應(yīng)設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)正在客戶現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行安裝調(diào)試。

4 結(jié)語

融合工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線的數(shù)字化車間，提高了加工產(chǎn)品精度和可靠性，這也必將帶動(dòng)各裝備制造業(yè)的同步發(fā)展。鐵路軸承是高速列車的重要零部件之一，必須突出可靠性與經(jīng)濟(jì)性。從某種程度上說，鐵路軸承行業(yè)對(duì)中國的鐵路發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。

由于生產(chǎn)線設(shè)備本身是高度的多功能柔性加工設(shè)備，通過對(duì)設(shè)備夾具和手爪的改變，即可以實(shí)現(xiàn)其他類型軸承的加工，物料輸送系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)仍然保持不變，適合于批量生產(chǎn)，但也可以在產(chǎn)品更換后，進(jìn)行生產(chǎn)線改造和重組，模塊化的設(shè)計(jì)，方便和適應(yīng)了產(chǎn)品的變化。

智能技術(shù)和智能制造系統(tǒng)的示范應(yīng)用，提高了生產(chǎn)效率，優(yōu)化了要素配置，增強(qiáng)了企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。利用自動(dòng)化帶來的優(yōu)勢(shì)，以組建智能化制造工廠為目標(biāo)，改變了傳統(tǒng)的制造生產(chǎn)模式。本項(xiàng)目也可向其他加工制造業(yè)推廣，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)模式的使用有著借鑒的意義。