基于FANUC數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)動機缸蓋厚度防錯方法研究

石偉濤，裴 偉

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545005）

0 引言

缸蓋是發(fā)動機的重要組成部分之一，安裝在缸體上面，從上部密封氣缸并構(gòu)成燃燒室。缸蓋上還裝有進排氣門、火花塞、凸輪軸、凸輪軸蓋等。它經(jīng)常承受著很大的熱負荷和機械負荷，因此，保證缸蓋的加工尺寸精度尤為重要。

在實際生產(chǎn)中，抽檢時經(jīng)常發(fā)現(xiàn)缸蓋燃燒室高度超差、頂面高度不合格等問題，檢查發(fā)現(xiàn)由于探針粘鋁，造成了缸蓋底面或頂面多切，而探針粘鋁在設(shè)備運行過程中是很難發(fā)現(xiàn)的。針對該問題，本文著重介紹如何通過FANUC數(shù)控系統(tǒng)來檢測判斷缸蓋厚度尺寸是否加工超差。缸蓋厚度的加工檢測主要是通過加工中心的探針探測的數(shù)據(jù)，通過數(shù)控處理系統(tǒng)計算判斷出來的。缸蓋厚度尺寸包括兩方面：一是燃燒室高度；二是缸蓋頂面到底面的高度。燃燒室高度是影響燃燒容積的關(guān)鍵因素，缸蓋頂面到底面的距離是影響凸輪軸蓋加工以及凸輪軸安裝的關(guān)鍵因素。因此，必須消除探針粘鋁所造成的缸蓋厚度加工不合格的影響。通過對數(shù)控系統(tǒng)的研究，在某些工序后增加探針探測判斷，可以實現(xiàn)缸蓋厚度100%在線檢測，從而避免了工件的大量報廢。

1 FANUC數(shù)控系統(tǒng)概述[1]

FANUC數(shù)控系統(tǒng)是由輸入/輸出裝置、NC系統(tǒng)、PMC系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、機床本體、以太網(wǎng)、位置測量與反饋系統(tǒng)組成。各系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)框架圖如圖1所示。

圖1 FANUC系統(tǒng)控制圖

從圖1中可以看出，F(xiàn)ANUC數(shù)控系統(tǒng)控制是一個閉合的環(huán)路，利用該數(shù)控方法可以實現(xiàn)設(shè)備的自動探測加工判斷。

2 缸蓋厚度加工工藝分析

以某型缸蓋為例來闡述，缸蓋厚度方向結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 缸蓋厚度方向結(jié)構(gòu)示意圖

圖中，B′為預(yù)加工毛坯后的缸蓋底面；B為在B′基礎(chǔ)上除去余量后的底面；W為燃燒室高度探測點；A′為預(yù)加工毛坯后的缸蓋頂面；A為除去0.5 mm余量后的缸蓋頂面；0.5STK為0.5 mm余量。

2.1 缸蓋厚度的工藝安排

缸蓋的頂面和底面分別分兩次加工：粗加工和精加工。粗加工除去毛坯余量，精加工除去0.5 mm以內(nèi)的余量。先加工的是缸蓋的頂面，后加工的是缸蓋的底面。缸蓋的頂面和底面粗加工余量設(shè)計時已經(jīng)定義給出，但受毛坯鑄造的影響，有可能某些缸蓋毛坯沒有達到鑄造的要求，此時就需要測量工具測量，對于現(xiàn)有缸蓋加工技術(shù)，一般采用在加工中心安裝測頭（探針）來測量，因此，在加工缸蓋頂面和底面之前，需要探針探測燃燒室高度來判斷是否有余量加工。精加工余量缸蓋頂面和底面不同，為保證燃燒室高度，缸蓋底面需要用探針再次探測判斷缸蓋底面的加工余量，對于頂面，由于前幾道工序有探測判斷，就一定能保證0.5 mm的切削余量，具體流程圖如圖3所示。

圖3 缸蓋頂面和底面工序流程圖

2.2 缸蓋厚度加工余量探測原理分析[2]

2.2.1 缸蓋頂面粗加工余量探測原理分析

缸蓋頂面粗加工余量判斷探測原理圖如圖4所示，探測缸蓋燃燒室上 4 個點（W1、W2、W3、W4），通過4個點在機械位置的平均高度來判斷加工余量是否符合要求。

圖4 缸蓋頂面粗加工余量判斷探測原理圖

2.2.2 缸蓋底面粗加工余量探測原理分析

缸蓋底面粗加工余量判斷探測原理圖如圖5所示，探測缸蓋燃燒室上 4 個點（W1、W2、W3、W4），通過4個點在機械位置的平均高度來判斷加工余量是否符合要求。

圖5 缸蓋底面粗加工余量判斷探測原理圖

2.2.3 缸蓋底面精加工余量探測原理分析

缸蓋底面精加工余量判斷探測原理圖如圖6所示，探測缸蓋底面上 4 個點（A1、A2、A3、A4），通過 4個點在機械位置的平均高度來判斷加工余量是否符合要求。

圖6 缸蓋底面精加工余量判斷探測原理圖

2.3 實際加工余量的數(shù)學(xué)表達式

在2.2中詳細描述了探針探測原理以及判斷要求，從中可以看出，探針僅僅只是在加工前進行判斷是否有加工余量，如前所述，如果探針粘鋁或破損，將會造成虛假的加工余量判斷，就會導(dǎo)致多切或少切。此時設(shè)備加工后也無測量判斷，導(dǎo)致不合格件一直加工到下線，造成了大量的浪費。

下面針對該問題，用數(shù)學(xué)表達式的方法來推理。分工序描述如下：

1）工序1：粗加工缸蓋頂面，判斷原理如圖7.

圖7 粗加工缸蓋頂面，判斷原理圖

圖中相關(guān)參數(shù)釋義如下：L1為缸蓋頂面A′到探針表面名義距離，設(shè)計值。H1為缸蓋毛坯頂面到W點距離；C-A-AXSIS為A軸零點所在位置；R1為W點到毛坯底面的距離；Z1為探針從機床零點移到缸蓋燃燒室W點的機械位置值；y1為機床裝配誤差以及探針粘鋁或破損的誤差系數(shù)；150為工裝零點到機床零點的距離；x1為缸蓋頂面實際加工余量。

設(shè)主軸端面向右為正方向，以上參數(shù)可以建立如下的近似等式關(guān)系：

將（1）變換如下：

L1、H1、R1 為設(shè)計值，為定值，因此，當(dāng) y1 增大時，也即探針粘鋁時（暫不考慮機床裝配精度，下同），探針被加長，y1為正值，Z1+ y 1 增大，x1將增大，也即是會導(dǎo)致缸蓋頂面多切。當(dāng)y1減小時，也即當(dāng)探針破損時，探針被減短，y1為負值，Z1+ y 1減小，x1為將減小，也即是會導(dǎo)致缸蓋頂面少切。

2）工序2：粗加工缸蓋底面，判斷原理如下圖8.

圖8 粗加工缸蓋底面，判斷原理圖

圖中相關(guān)參數(shù)釋義如下：

L2為缸蓋頂面A′到探針表面名義距離，設(shè)計值。

Z2為探針從機床零點移到缸蓋燃燒室W點的機械位置值；Y2為機床裝配誤差以及探針粘鋁或破損的誤差系數(shù);H2為缸蓋頂面A′到W點距離；R2為W點到缸蓋底面B′的距離；x2為缸蓋底面實際加工余量；C-A-AXSIS為A軸零點所在位置；120為工裝零點到機床零點的距離；

設(shè)主軸端面向右為正方向，以上參數(shù)可以建立如下的近似等式關(guān)系：

將（3）變換如下：

L2、H2、R2 為設(shè)計值，為定值，因此，當(dāng) y2 增大時，也即探針粘鋁時（暫不考慮機床裝配精度，下同），探針被加長，y2為正值，Z2+ y 2 增大，x2將增大，也即是會導(dǎo)致缸蓋底面多切。當(dāng)y2減小時，也即當(dāng)探針破損時，探針被減短，y2為負值，Z2+y 2減小，x2為將減小，也即是會導(dǎo)致缸蓋底面少切。

3）工序3：精加工缸蓋底面，設(shè)計余量為0.5mm，判斷原理如圖9.

圖9 精加工缸蓋底面判斷原理圖

圖中相關(guān)參數(shù)釋義如下：

L3為缸蓋頂面A′到探針表面名義距離，設(shè)計值；

Z3為探針從機床零點移到缸蓋底面B′的機械位置值；Y3為機床裝配誤差以及探針粘鋁或破損的誤差系數(shù)；H3為缸蓋頂面A′到缸蓋底面B的距離；x3為缸蓋底面實際加工余量；0.5STK；缸蓋底面名義加工余量；C-A-AXSIS：A 軸零點所在位置；120：工裝零點到機床零點的距離。

設(shè)主軸端面向右為正方向，以上參數(shù)可以建立如下的近似等式關(guān)系：

將（5）變換如下：

L3、H3為設(shè)計值，為定值，因此，當(dāng)y3增大時，也即探針粘鋁時（暫不考慮機床裝配精度，下同），探針被加長，y3為正值，Z3+ y 3 增大，x3將增大，實際切削余量將會大于0.5 mm，也即是會導(dǎo)致缸蓋底面多切。當(dāng)y3減小時，也即當(dāng)探針破損時，探針被減短，y3為負值，Z3+ y 3 減小，x3為將減小，實際切削余量將會小于0.5 mm，也即是會導(dǎo)致缸蓋底面少切。

2.4 缸蓋厚度判斷條件的數(shù)學(xué)表達式

在2.3中詳細闡述了實際加工余量與設(shè)備相對位置關(guān)系的相互影響，從中可以看出，主要變化的是探針移動的機械位置，這個位置的變化主要受探針本身的影響（排除機床的裝配精度），假設(shè)探針移動的名義距離是Z，受探針影響變化系數(shù)為y，則加工合格的工件上機床探測后，Z處的范圍就為：

2.5 缸蓋厚度判斷條件的NC程序控制

如2.4中所述，根據(jù)缸蓋厚度的加工順序，將判斷條件編制如下（介于篇幅有限，這里只示意判斷語句）：

1）缸蓋頂面完成粗加工后的NC判斷語句[3]：

IF[ABS[#9]LT（Z-y）]GOTO9906

IF[ABS[#9]GT（Z+y）]GOTO9906

#9：FANUC數(shù)控系統(tǒng)定義的宏參數(shù)，與上述Z的定義相同。

Z-y：在這里要考慮極限的情況，也即是缸蓋頂面完全沒有加工的情況。

Z+y：在這里要考慮極限的情況，也即是缸蓋頂面剛要加工超下差的情況。

語句含義：語句1指的探針移動的距離#9小于等于Z-y時，程序跳轉(zhuǎn)到9906程序段，設(shè)備報警，提醒缸蓋在前道工序加工超差；語句2反之亦然。

2）缸蓋底面完成粗加工后的NC判斷語句：

（*COMBUSTION DETPH H TOL ε）

IF[ABS[#15-H]GT ε]GOTO13400

#15：FANUC數(shù)控系統(tǒng)定義的宏參數(shù)，探針到缸蓋W點與到B’面間的差值，也即是實測的燃燒室高度值；

H：燃燒室高度設(shè)計值；

ε：燃燒室高度設(shè)計極限值；

語句含義：語句1，解釋語句，說明燃燒室高度及要求極限偏差值；語句2，如果燃燒室高度大于等于設(shè)計極限值，則跳轉(zhuǎn)到13400程序段報警工件加工超差。

3）缸蓋底面完成精加工后的NC判斷語句：

IF[ABS[#9]LT（Z-y）]GOTO9960

IF[ABS[#9]GT（Z+y）]GOTO9960

釋義同1）。

因此，對于圖3缸蓋頂面和底面工序安排，基于FANUC數(shù)控系統(tǒng)，流程圖優(yōu)化如下，見圖10.

圖10 FANUC數(shù)控系統(tǒng)，流程圖優(yōu)化

3 實例應(yīng)用

某公司缸蓋厚度加工工藝安排如下：

OP10：粗加工缸蓋頂面；

OP15：粗加工缸蓋底面；

OP90：精加工缸蓋底面；

OP130：精加工缸蓋頂面；

按照上述的分析研究，考慮到加工節(jié)拍，粗加工缸蓋頂面高度檢測放在OP15檢測；粗加工缸蓋底面高度檢測放在OP20檢測；

精加工缸蓋底面高度檢測放在本工位檢測；

精加工靠前面保證，無須檢測。根據(jù)缸蓋的具體尺寸，將數(shù)值帶入2.5中對應(yīng)的程序段，再將程序?qū)霗C床，用事先準(zhǔn)備好的多切超差件上機床驗證，出現(xiàn)報警信息提示，機床停止工作，提醒員工工件尺寸有問題或者探針有異常（粘鋁、磨損、斷裂等）以O(shè)P15為例示意如圖11所示，驗證成功。

圖11 防錯報警信息圖

4 結(jié)束語

1）基于FANUC數(shù)控系統(tǒng)的探測原理，推導(dǎo)出缸蓋厚度加工余量判斷的數(shù)學(xué)表達式；

2）基于對FANUC數(shù)控系統(tǒng)的了解，以及對缸蓋厚度加工工藝的分析，通過設(shè)備本身軟硬件相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了缸蓋厚度由于探針粘鋁或者破損，導(dǎo)致加工過程中缸蓋厚度不合格的防錯控制方法。該控制方法簡單有效，極大地降低了產(chǎn)品報廢率。

參考文獻：

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