摘要:針對(duì)汽車輪轂生產(chǎn)線自動(dòng)化程度低、工作環(huán)境差和加工精度要求高的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一條汽車輪轂潔凈加工生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線對(duì)輪轂的機(jī)加工工藝進(jìn)行規(guī)劃，采用間隙配合的方式設(shè)計(jì)料架，并通過(guò)拆分裝置和運(yùn)輸裝置對(duì)輪轂進(jìn)行運(yùn)輸 ; 夾具運(yùn)用心軸定位的原理，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)定位件實(shí)現(xiàn)自定位，使用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾緊，增強(qiáng)輪轂在機(jī)床上加工的定位精度和夾緊可靠性 ; 采用微量潤(rùn)滑的潤(rùn)滑方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工過(guò)程中的環(huán)保節(jié)能 ; 通過(guò) RobotStodio 對(duì)具有雙夾緊工位的上下料機(jī)械手進(jìn)行軌跡規(guī)劃。該生產(chǎn)線通過(guò)智能管理系統(tǒng)合理規(guī)劃和優(yōu)化輪轂生產(chǎn)線，為實(shí)際生產(chǎn)提供依據(jù)和借鑒。

    綠色發(fā)展是國(guó)際大趨勢(shì)。當(dāng)前環(huán)境和資源問(wèn)題成為人類的共同挑戰(zhàn)，針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展已達(dá)成共識(shí)，綠色制造無(wú)疑是工業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的必經(jīng)之路。發(fā)展綠色制造技術(shù)，有利于緩解當(dāng)前環(huán)境資源約束問(wèn)題，有利于新經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)快速培育，而且對(duì)加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、推動(dòng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)化及提升制造業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有深遠(yuǎn)歷史意義。

    我國(guó)汽車行業(yè)不斷地發(fā)展，國(guó)內(nèi)汽車的銷量數(shù)次刷新全球記錄，一直位于世界第一的銷量水平。但在我國(guó)汽車行業(yè)迅速發(fā)展的同時(shí)，汽車輪轂傳統(tǒng)生產(chǎn)線在加工過(guò)程中大量使用礦物油切削液，造成了資源浪費(fèi)、環(huán)境污染和危害操作人員健康等問(wèn)題。據(jù)調(diào)查，一家中小型汽車輪轂生產(chǎn)廠家每年消耗的潤(rùn)滑液高達(dá) 65 萬(wàn) t，用于潤(rùn)滑液采購(gòu)、廢液處理等方面造價(jià)高達(dá) 300 余萬(wàn)元，且存在工作環(huán)境出現(xiàn)臟、亂、差等問(wèn)題。因此，在改造生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的同時(shí)，必須保證汽車輪轂的潔凈生產(chǎn)，使?jié)崈羯a(chǎn)與自動(dòng)化生產(chǎn)完美結(jié)合是未來(lái)生產(chǎn)的必由之路。

    隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)綠色制造的支持，綠色冷卻潤(rùn)滑方式也得到了發(fā)展，干式加工在機(jī)械加工中的成功應(yīng)用為綠色加工開(kāi)啟了新的道路，但由于缺少切削液的直接潤(rùn)滑，導(dǎo)致想要達(dá)到與澆注式潤(rùn)滑相同的加工質(zhì)量就必須保證刀具的韌性、硬度和耐磨性，這使得干式加工受到刀具限制，且加工過(guò)程中由于沒(méi)有介質(zhì)參與，排屑和換熱性能不足，不可避免地造成工件表面出現(xiàn)燒傷情況。

    隨著學(xué)者們的深入研究，提出了低溫冷卻技術(shù)。低溫冷卻技術(shù)是將低溫氣體介質(zhì)噴射到切削區(qū)對(duì)切削區(qū)進(jìn)行降溫，起到冷卻作用，達(dá)到加工要求。學(xué)者們進(jìn)行大量試驗(yàn)探究低溫冷卻技術(shù)在車削、銑削等多種加工形式中的冷卻效果。試驗(yàn)表明，低溫冷卻潤(rùn)滑得到的工件質(zhì)量、刀具壽命和潤(rùn)滑性能均優(yōu)于干式切削，但與澆注式潤(rùn)滑相比，成本相差無(wú)幾，且可能導(dǎo)致加工過(guò)程中氧氣含量降低引起工人窒息，與綠色發(fā)展、保證人體健康沖突，需進(jìn)一步發(fā)展研究。繼干式切削之后，提出了介于澆注式切削與干式切削的微量潤(rùn)滑技術(shù)，最小限度地使用切削液，保證加工質(zhì)量。微量潤(rùn)滑技術(shù)是在高壓氣體中加入微量潤(rùn)滑油，借助高壓氣流，將微量潤(rùn)滑油霧化后注入高速切削區(qū)，進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑和切屑排出。微量潤(rùn)滑油采用具有極好的生物降解性能的植物油作為基礎(chǔ)油，極大地改善了工作環(huán)境，降低了對(duì)環(huán)境的污染，保證了工件加工質(zhì)量。將靜電場(chǎng)等多能場(chǎng)耦合到加工過(guò)程中會(huì)起到更好的潤(rùn)滑效果。因此，將微量潤(rùn)滑結(jié)合到生產(chǎn)線之中已成為必然選擇。

    由于傳統(tǒng)生產(chǎn)線存在自動(dòng)化不足的問(wèn)題，而自動(dòng)化不足也限制了潤(rùn)滑工況的改善，無(wú)法達(dá)到微量潤(rùn)滑與生產(chǎn)要素同步的要求，因此需對(duì)生產(chǎn)線整體進(jìn)行改進(jìn)。隨著汽車銷量的增長(zhǎng)，對(duì)輪轂的生產(chǎn)效率提出了進(jìn)一步要求，增強(qiáng)生產(chǎn)線智能化也是行業(yè)發(fā)展的必然選擇。而汽車輪轂作為汽車的重要零部件，其精度、圓度和同軸度對(duì)汽車使用壽命、行車穩(wěn)定性和駕駛員的安全有著重大影響。因此，生產(chǎn)線智能化的改造不僅需要提高生產(chǎn)效率，而且需要保證輪轂生產(chǎn)的質(zhì)量。但我國(guó)輪轂生產(chǎn)廠家規(guī)模不一，輪轂機(jī)加工大部分依舊采用人工配合機(jī)床加工完成生產(chǎn)，大量使用人力，造成生產(chǎn)效率低、成本高、產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，極大制約了輪轂行業(yè)的發(fā)展。部分生產(chǎn)廠家試進(jìn)行智能自動(dòng)化生產(chǎn)線改造，但國(guó)內(nèi)企業(yè)缺乏自己的核心技術(shù)，智能生產(chǎn)線成本較高，使得生產(chǎn)廠家無(wú)力更新設(shè)備。

    面對(duì)輪轂生產(chǎn)的需要，我國(guó)開(kāi)始著手組建汽車輪轂的自動(dòng)化加工生產(chǎn)線。汽車輪轂加工的柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線需實(shí)現(xiàn)多規(guī)格、多尺寸和變批量的輪轂生產(chǎn)，滿足輪轂上下料、粗加工、半精加工、精加工及鉆孔等方面的加工自動(dòng)化流水作業(yè)。由于輪轂加工的多樣性，眾多學(xué)者對(duì)輪轂加工過(guò)程進(jìn)行了研究。傳統(tǒng)的輪轂加工需更換不同工裝設(shè)備來(lái)完成不同類型輪轂的加工，降低了生產(chǎn)效率，增加了成本，面對(duì)輪轂多規(guī)格、多尺寸的生產(chǎn)模式，對(duì)輪轂夾具進(jìn)行改進(jìn)是自動(dòng)化柔性生產(chǎn)加工的大勢(shì)所趨，劉德偉對(duì)輪轂柔性?shī)A具進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)連桿實(shí)現(xiàn)不同半徑輪轂的夾緊，并對(duì)夾具進(jìn)行夾緊力和定位誤差分析。梁盈富等對(duì)汽車輪轂生產(chǎn)線中智能制造系統(tǒng)總體框架進(jìn)行了設(shè)計(jì)，將 MES 系統(tǒng)和 PLC 技術(shù)與機(jī)床機(jī)器人相結(jié)合。輪轂自動(dòng)化柔性生產(chǎn)線從柔性加工的夾具，到加工過(guò)程中的檢測(cè)，再到整條生產(chǎn)線與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，其智能化已經(jīng)得到長(zhǎng)足的發(fā)展。

    綜上所述，生產(chǎn)線設(shè)計(jì)應(yīng)解決以下問(wèn)題 : ①輪轂的種類繁多，規(guī)格尺寸不同，往往需要不同的加工設(shè)備來(lái)完成生產(chǎn)。②加工單元采用島式布局，各單元之間加工連續(xù)性不足。③澆注式潤(rùn)滑工況在加工過(guò)程中飛濺的潤(rùn)滑液會(huì)污染環(huán)境，影響工人健康。④上下料采用人工，使得成本增加、效率下降。汽車市場(chǎng)對(duì)輪轂的需求量巨大，以上問(wèn)題亟待解決。因此設(shè)計(jì)了汽車輪轂潔凈加工生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)輪轂的上下料、機(jī)加工的自動(dòng)化作業(yè)，并加裝微量潤(rùn)滑裝置來(lái)解決污染問(wèn)題。

    汽車輪轂加工的柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線需實(shí)現(xiàn)多規(guī)格、多尺寸和變批量的輪轂生產(chǎn)，滿足輪轂的上下料、粗加工、半精加工、精加工及鉆孔等方面加工的自動(dòng)化流水作業(yè)。將輪轂機(jī)加工分為 5道工序，其規(guī)程設(shè)計(jì)見(jiàn)表 1，汽車輪轂加工需進(jìn)行粗車、半精車和精車加工，將車削分為4道工序，鉆孔在加工中心上進(jìn)行，作為一道工序。

 

 

    從工藝流程出發(fā)，對(duì)上下料裝置、機(jī)床夾具和生產(chǎn)工況進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的輪轂潔凈生產(chǎn)線如圖 1 所示。由 4 臺(tái)立式車床和 1 臺(tái)加工中心完成輪轂 5 道工序的加工，5 臺(tái)機(jī)床成兩排布局，通過(guò) 3 臺(tái)上下料機(jī)械手完成機(jī)床與輥道、輥道與輥道之間的物料傳輸。5 臺(tái)機(jī)床和 3 臺(tái)機(jī)械手組成一個(gè)加工單元，車間可布置多個(gè)加工單元，通過(guò)上料裝置進(jìn)行統(tǒng)一上料。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有輪轂加工生產(chǎn)線多為人工搬運(yùn)上料，既降低了生產(chǎn)效率，

 

 

1—拆分裝置　2—第一輥道　3—料架　4—輪轂定位裝置　5—輪轂　6—上下料機(jī)器人　7—出料輥道　8—機(jī)床　9—夾具　10—微量潤(rùn)滑裝置　11—輪轂搬運(yùn)機(jī)械手

 

 

    自定位裝置實(shí)現(xiàn)夾緊前的定位，為夾緊提高更好的定位精度，有利于減小重復(fù)定位誤差。以輪轂底平面為主要定位基準(zhǔn)面，活動(dòng)平臺(tái)限制輪轂 X、Y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)和 Z 軸移動(dòng)，在氣缸的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng) 3 個(gè)定位塊同時(shí)向外運(yùn)動(dòng)，限制輪轂的 X、Y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪轂的自定位 ;固定平臺(tái)與機(jī)床相連接，夾緊爪的移動(dòng)由第一氣缸控制，第一氣缸通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將垂直的驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換成水平的徑向力，夾緊爪在徑向力的作用下沿固定平臺(tái)徑向移動(dòng)，對(duì)輪轂進(jìn)行徑向夾緊 ;第二氣缸帶動(dòng)活動(dòng)平臺(tái)在 Z 軸移動(dòng)，配合夾緊爪對(duì)輪轂進(jìn)行軸向夾緊。

    在加工時(shí)，夾緊力既要保證不破壞工件，又要保證加工的正常進(jìn)行。最小夾緊力為保證加工過(guò)程中汽車輪轂不因切削力發(fā)生位移偏轉(zhuǎn)的夾緊力。氣缸需對(duì)夾緊爪提供一個(gè)最小夾緊力保證加工的正常運(yùn)行。加工時(shí)，夾緊爪與輪轂發(fā)生位置偏移，對(duì)輪轂產(chǎn)生的摩擦力，摩擦力與力偶相對(duì)，從而達(dá)到靜力平衡，靜力平衡條件為

    在《中國(guó)制造 2025》中提出了推動(dòng)制造業(yè)朝智能、綠色、高端等創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。綠色加工是國(guó)際大趨勢(shì)，在這種國(guó)際大趨勢(shì)的推動(dòng)下，輪轂生產(chǎn)線從澆注式轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒘繚?rùn)滑式的加工工況成為必然。傳統(tǒng)的澆注式潤(rùn)滑使用大量的礦物油切削液，污染環(huán)境、危害工人的健康且切削液的使用和處理費(fèi)用昂貴，而微量潤(rùn)滑使用的切削液為植物油基切削液，具有良好的降解能力。微量潤(rùn)滑從澆注式的 60L/h 降至 30~00mL/h，不僅減少了浪費(fèi)，而且加工效果有所上升。

    對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行微量潤(rùn)滑裝置的改造成為必然選擇，微量潤(rùn)滑裝置結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，其懸掛式安裝在機(jī)床上，為輪轂加工提供微量潤(rùn)滑工況。用微量潤(rùn)滑裝置代替原有的澆注式潤(rùn)滑裝置，并根據(jù)機(jī)床加工的主軸轉(zhuǎn)速對(duì)微量潤(rùn)滑裝置的注油量進(jìn)行調(diào)整，這樣既增強(qiáng)了潤(rùn)滑效果，又降低了成本和污染。

 

 

 

 

    輪轂機(jī)械手搬運(yùn)軌跡復(fù)雜，為避免機(jī)床與上下料機(jī)械手發(fā)生碰撞，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行軌跡規(guī)劃尤為重要。以第一立式機(jī)床和第二立式機(jī)床之間的物料搬運(yùn)為例，上下料機(jī)器人需示教的點(diǎn)為 9個(gè)——1 個(gè) pHome 點(diǎn)、1 個(gè)過(guò)渡點(diǎn)、3 個(gè)避障點(diǎn)、1 個(gè)定位裝置抓取點(diǎn)、1 個(gè)機(jī)床抓取點(diǎn)和 2 個(gè)機(jī)床放置點(diǎn)。機(jī)械臂通過(guò)偏移指令完成 3 個(gè)避障點(diǎn)之間的搬運(yùn)，具體如圖 5 所示。上下料流程在階段 1~ 階段 6 之間循環(huán)，其中 pHome 點(diǎn)、過(guò)渡點(diǎn)和避障點(diǎn)之間采用關(guān)節(jié)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，以空載最大運(yùn)行速度 v 空載 max 和滿載最大運(yùn)行速度 v 滿載 max 運(yùn)行 ; 避障點(diǎn)和抓取點(diǎn)、放置點(diǎn)之間采用直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，以空載最小運(yùn)行速度 v 空載 min 和滿載最小運(yùn)行速度 v 滿載 min 運(yùn)行。

 

 

    通過(guò) Robotstodio 進(jìn)行仿真，行動(dòng)軌跡表明上下料機(jī)器人可以達(dá)到預(yù)期運(yùn)行效果，以機(jī)器人代替人工搬運(yùn)，提高了工作效率。通過(guò) TCP 軌跡跟蹤，可判斷是否產(chǎn)生碰撞和干涉，節(jié)省實(shí)際調(diào)試時(shí)間避免意外。軟件運(yùn)行后，輪轂在輥道和各個(gè)機(jī)床之間平均搬運(yùn)時(shí)間為 27s，而在傳統(tǒng)車間中，輪轂和機(jī)床間的上下料通過(guò)人工完成，平均搬運(yùn)時(shí)間約為 33s，上下料效率提高了

    根據(jù)我國(guó)對(duì)輪轂生產(chǎn)的重大需求，針對(duì)自動(dòng)化輪轂生產(chǎn)線組建的迫切要求，設(shè)計(jì)了汽車輪轂潔凈加工生產(chǎn)線。通過(guò)對(duì)輪轂生產(chǎn)的加工工藝進(jìn)行規(guī)劃，對(duì)輪轂生產(chǎn)線進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，將各個(gè)生產(chǎn)單元通過(guò)上料裝置實(shí)現(xiàn)并聯(lián) ; 對(duì)輪轂夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪轂的自定位和柔性?shī)A緊，并提高了重復(fù)定位精度，為輪轂加工提供保障 ; 對(duì)加工機(jī)床進(jìn)行改進(jìn)，安裝微量潤(rùn)滑裝置，可根據(jù)機(jī)床不同的轉(zhuǎn)速，對(duì)機(jī)床進(jìn)行不同的供液，既可保證加工的精度與質(zhì)量，又能減少資源浪費(fèi)。設(shè)計(jì)方案通過(guò)虛擬仿真，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡做出規(guī)劃，模擬輪轂自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程，提高工作效率，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)輪轂潔凈自動(dòng)化加工。