基于智能制造生產(chǎn)線的減速機齒圈加工工藝研究

高錦南，程 俊，陳顯東

(1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院,湖北武漢 430050;2.廣州凱恩帝數(shù)控技術(shù)有限公司,廣東廣州 510500;3.上海潤品科技有限公司，上海 201906))

隨著“中國制造2025”的提出,集通信技術(shù)、電氣控制、工業(yè)機器人、精密檢測和數(shù)控技術(shù)于一體的智能制造技術(shù)已成為中國制造業(yè)領域優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵點，我國也面臨新一輪產(chǎn)業(yè)革命的機遇期，黨的十九大明確提出加快建設制造強國，加快發(fā)展先進制造業(yè)的戰(zhàn)略目標。在機器人伺服電機及減速機傳動零部件加工中，加工難度最大的當屬減速機的齒圈，需要較高精度才能符合減速機裝配使用和生產(chǎn)要求。機械加工企業(yè)業(yè)對于加工要求的不斷提高，以及人工成本的不斷提升，企業(yè)生產(chǎn)加工智能化升級改造勢在必行。本文筆者將詳細介紹智能制造生產(chǎn)線建設整個過程。

1 智能制造概述

1.1 智能制造

智能制造(Intelligent Manufacturing，IM)是在先進制造技術(shù)與信息通信技術(shù)融合的基礎上，始終貫穿于生產(chǎn)制造的各個環(huán)節(jié)，并能夠自感知、自決策、自適應的新型生產(chǎn)方式[1]。它能創(chuàng)造出人與智能設備共事的環(huán)境，并逐步取代專家在生產(chǎn)制造過程中的部分腦力勞動，將制造自動化提升到柔性化、智能化和高度集成化。

在智能制造普及深入的未來，智能制造應用的領域?qū)⒅饾u廣泛，會不斷推出新型的智能產(chǎn)品、智能裝備、智能產(chǎn)線和智能工廠等，再配合逐步全面的物聯(lián)網(wǎng)體系形成智能服務解決方案，讓解決供求關(guān)系的方式更具智能化，最終實現(xiàn)智能服務生活。

1.2 智能工廠

智能工廠是智能制造發(fā)展過程中的一大產(chǎn)物，智能工廠是由自動化生產(chǎn)線、先進數(shù)控設備、精密檢測儀器、工業(yè)機器和信息系統(tǒng)組成。將生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化、透明化、可視化和精益化，同時與產(chǎn)品檢測、質(zhì)量檢驗和分析、生產(chǎn)物流形成閉環(huán)控制集成。有的離散制造企業(yè)則專門成立一個生產(chǎn)指揮中心，多個區(qū)域需要信息共享、協(xié)同研發(fā)、智能生產(chǎn)、精準物流和智能服務。這些功能的實現(xiàn)需要強大的信息系統(tǒng)為支撐。信息系統(tǒng)自下而上主要由控制層級的PLC、SCADA、DCS、FCS等，和車間層級的制造管理系統(tǒng)(MES)，還有企業(yè)層級的ERP、PLM、SCM和CRM所組成[2]，信息系統(tǒng)對整個生產(chǎn)進行分析、指揮和調(diào)度，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，減少企業(yè)運營成本，將生產(chǎn)效益提高到最大化。

智能產(chǎn)線是智能工廠的重要組成部分，許多企業(yè)的技術(shù)改造重點就是智能產(chǎn)線，將企業(yè)大批量的標準化產(chǎn)品實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，文中的智能產(chǎn)線就是以加工減速機單級齒圈為載體的智能生產(chǎn)線。

2 智能制造生產(chǎn)線的構(gòu)建

2.1 設備的構(gòu)建

要建設以自感知、自決策、自適應為目標的柔性制造生產(chǎn)線，需要具有一定程度智能化的設備、信息集成化、智能化設計和無人化工藝設計。

(1) 具有一定程度的智能化設備。利用智能設備的功能優(yōu)勢，從而保證加工的一致性并提高加工質(zhì)量，減少對人工操作技能的要求，實現(xiàn)零件在產(chǎn)線上的高效加工與運轉(zhuǎn)[3]。

(2) 信息集成化。不同類型的源數(shù)據(jù)按照定義的接口規(guī)范進行處理集合，實時監(jiān)測生產(chǎn)周期中的設備狀態(tài)、生產(chǎn)環(huán)境和故障匹配識別，并集成日志、權(quán)限管理、性能監(jiān)測等功能[4]。

(3) 智能化設計。根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)流程與運營模式，組建定制化生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)，提高設備使用率縮短生產(chǎn)周期，降低運營成本。

(4) 無人化工藝設計。無人化工藝設計是為了避免加工過程中需要人為干涉加工環(huán)境，以及優(yōu)化加工工藝減少產(chǎn)品的加工時長和定位次數(shù)。

2.2 齒圈產(chǎn)品特性分析

減速機單級齒圈CAD圖如圖1所示，材料毛坯是一塊環(huán)形鑄件，外圓尺寸φ132mm、內(nèi)圓尺寸φ78mm、厚度尺寸43.8mm。圖中產(chǎn)品主要加工部分有六個：

圖1 減速機單級齒圈CAD圖

減速機單級齒圈CAD圖如圖1所示，材料毛坯是一塊環(huán)形鑄件，外圓尺寸φ132mm、內(nèi)圓尺寸φ78mm、厚度尺寸43.8mm。圖中產(chǎn)品主要加工部分有六個：

產(chǎn)品材料選用的是42CrMoA模具鋼，由于產(chǎn)品內(nèi)壁需要與減速機的斜齒進行長期運動接觸，所以該材料硬度經(jīng)過調(diào)制處理，硬度達到布氏硬度HB250-280(在一定條件下，HB與HRC可以換算。公式可大致記為：1HRC≈1/10HB，洛氏硬度約為25～28度，韌性較強)，根據(jù)材料切削特性需采用達到材料硬度切削條件的涂層刀具，并且針對工件夾持方式的自動化夾具，都需要遵循產(chǎn)品的材料特性進行設計，方可避免加工過程中的不穩(wěn)定因素。

2.3 齒圈生產(chǎn)自動化工藝設計

2.4 設備分布設計

智能產(chǎn)線的設備分布需要根據(jù)生產(chǎn)工藝，以縮短生產(chǎn)周期、提高設備使用頻率和方便設備間轉(zhuǎn)換工序為設計方向進行合理擺放。

減速機齒圈智能產(chǎn)線的排布如圖2所示，采用的智能設備有一臺FANUC R-2000iC/165F機器人，一臺西門子s7-1200型號PLC，一臺攜帶FANUC Series Oi Mate-TD系統(tǒng)的車削中心，一臺攜帶FANUC Oi MF系統(tǒng)的四軸加工中心，一臺攜帶FANUC Oi MF的三軸加工中心，一臺自帶通訊接口的三坐標和攜帶RFID的智能立體倉庫。設備之間通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)無縫集成，并且用設計好的數(shù)據(jù)流架構(gòu)連接每臺設備的接口使生產(chǎn)智能化，由MES系統(tǒng)實現(xiàn)高效協(xié)調(diào)工作，并實時將數(shù)據(jù)反饋到MES系統(tǒng)上。

圖2 減速機單級齒圈智能生產(chǎn)線規(guī)劃圖及實物圖

3 齒圈生產(chǎn)自動化夾具方案

3.1 機械手夾具方案

從產(chǎn)品外形分析可以看出，工件的外圓(φ130)經(jīng)過第一道工序車加工后就未發(fā)生變化，且產(chǎn)品毛坯外形與實際加工尺寸范圍波動不大，可通過設計夾具的裝夾活動范圍來解決夾持問題。根據(jù)公共尺寸完成外形加工后的間距設計出夾具的接觸輪廓。機器人夾具CAD圖如圖3所示。

圖3 機器人夾具

3.2 機床夾具方案

工序一：

設備：斜床身數(shù)控車削中心。

工裝夾具：對液壓卡盤的卡爪進行精鏜處理后搭配改裝后的尾座進行配合裝夾。

裝夾方法：如圖4所示，機械手抓取工件放入手指夾具，貼緊一級臺階，尾座頂入，三爪卡盤鎖緊后，尾座抽離。

圖4 零件裝夾示意圖

工序二：

設備：四軸加工中心。

工裝夾具：內(nèi)脹夾具。

裝夾方法：如圖5所示，由機械手夾取完成車削加工后的零件放至四軸加工中心未鎖緊狀態(tài)下的內(nèi)脹夾具中，再由外部信號控制夾具鎖緊完成裝夾。(設計時夾具底部的裝夾避空范圍，是防止切削干涉)

圖5 四軸加工中心裝夾示意圖

工序三：

設備：三軸加工中心。

工裝夾具：零點定位夾具。

裝夾方法：如圖6所示，由機械手將完成四軸加工的零件送至三軸加工中心未鎖緊狀態(tài)下的磁盤夾具中，依靠經(jīng)過四軸銑削后的零件外形進行初次定位，定位完成后，磁盤充磁，通過斜度定位塊完成最終定位。

圖6 三軸加工中心裝夾示意圖

4 齒圈智能生產(chǎn)化工藝可行性驗證

智能產(chǎn)線的構(gòu)建過程，不但要從加工產(chǎn)品的精度方面考慮，還要從簡化生產(chǎn)工藝、科學調(diào)度和柔性制造系統(tǒng)等方面考慮。再配備輔助生產(chǎn)的非標設備，充分發(fā)揮智能設備的生產(chǎn)優(yōu)勢，高效協(xié)調(diào)作業(yè)實現(xiàn)穩(wěn)定的批量工作，提高生產(chǎn)效率。

本文介紹的智能產(chǎn)線是針對減速機單級齒圈的批量生產(chǎn)，通過產(chǎn)線對無人化生產(chǎn)工藝進行可行性驗證，且最終送至精密檢測儀進行精度檢測，無人生產(chǎn)流程如圖7所示。

圖7 無人生產(chǎn)流程圖

通過MES系統(tǒng)創(chuàng)建工藝任務流程，并下派任務；任務下派后機器人與智能設備按照無人工藝流程進行協(xié)調(diào)工作，等待所有加工任務完成后執(zhí)行清洗任務，最后去往檢測單元進行精度檢查，根據(jù)得出的檢測數(shù)據(jù)報告決定產(chǎn)品的分類。如圖8所示，產(chǎn)品三坐標檢測報告上顯示數(shù)據(jù)合格，驗證無人化工藝可以滿足生產(chǎn)精度要求。

圖8 產(chǎn)品三坐標檢測報告

5 結(jié) 語

動化生產(chǎn)與通信技術(shù)的結(jié)合使得智能制造領域研究已不再是一味大批量地機器人替換人類機械性的工作，而是以柔性化生產(chǎn)設計為指導思想，以降低風險和提高產(chǎn)能為核心。在適合的環(huán)節(jié)引入工業(yè)機器人，開發(fā)自動化夾具，設計合理的無人化工藝，并且優(yōu)化生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，提高機器人應用技術(shù)協(xié)調(diào)作業(yè)的能力，提高生產(chǎn)效率。同時配合信息系統(tǒng)的深入研發(fā)，進而讓智能制造更具智能化、柔性化和自動化。