柔性制造系統(tǒng)在發(fā)動機生產中的應用

1、柔性制造系統(tǒng)在發(fā)動機生產中的應用作者：奇瑞汽車股份有限公司 楊厚忠    來源：AI汽車制造業(yè)當前，車型的市場壽命周期越來越短，小批量、多品種生產成為各大汽車廠商的追求目標。與此相適應，發(fā)動機的生產制造模式也必須適應多品種、不同批量的市場需求。由于市場需求的多樣性，產品更新?lián)Q代的周期加快，促使許多發(fā)動機企業(yè)先后引進了以加工中心為主體的柔性生產線柔性制造系統(tǒng)（FMS）。它能夠根據(jù)制造任務和生產環(huán)境變化迅速進行調整，適應多品種、中小批量的生產需求。 奇瑞公司的發(fā)動機二廠是根據(jù)汽車制造業(yè)多品種、柔性化生產的需求而建造的一個具有國際領先水平的現(xiàn)代化柔性工廠。該工

2、廠在產品設計時就采用同步工程并充分預留后期產品的共用性，以便根據(jù)市場及產品需求，在生產線上共線生產多個品種。 圖1 柔性制造系統(tǒng)下面以該廠為例，介紹柔性生產在箱體和軸類生產中的應用及實際使用中所需考慮的問題。 柔性生產線 一般柔性制造系統(tǒng)由以下組成部分： 2臺以上數(shù)控加工設備或加工中心及相應的輔助設備；自動裝卸的運儲系統(tǒng)；套計算機控制系統(tǒng)。 奇瑞發(fā)動機箱體類零件的主要加工部分均是由數(shù)十臺全柔性加工中心組成，幾個加工中心組成一個工島柔性制造單元（FMC）。各個柔性制造單元之間均通過自動輥道或機械手連接起來，其中還包括所必需的清洗、壓裝、試漏、珩磨、在線測量、線外測量設備以及切削液集中處理裝置等。

3、輔助設備一般采用通過式輥道輸送上料，并通過型號識別，選擇相應的工位及試漏、擰緊程序。在柔性制造單元內，由全自動機械手進行上下料，整線設有數(shù)個機械手。在生產線的自動輥道上，設置有產品型號自動識別裝置，機械手、輥道及加工中心通過Profibus總線連接起來，由一套西門子數(shù)控系統(tǒng)自動控制各部分的一致性。同時，控制計算機還能根據(jù)各機床的加工情況，選擇最優(yōu)的上下料順序，并根據(jù)設定的范圍，將需要抽檢的工件自動放入檢測站。 圖2 柔性制造單元每個FMC中都由幾道工序組成，每道工序分別由多臺相同型號的加工中心組成。每個FMC前面是上料輥道，后面是下料輥道及檢測站。各個FMC之間也是相應的輥道，可以起到工件暫存

4、作用。 加工中心是FMC最核心的部分，F(xiàn)MC中的加工中心采用大容量刀庫的自動換刀系統(tǒng)，可以滿足多品種生產所需的快速換刀及刀具存儲需求。系統(tǒng)具有刀具壽命管理、激光刀具折斷檢測和ARTIS扭矩監(jiān)控等豐富的刀具監(jiān)控管理功能，使得設備的自動化及可靠性得到有效充分的保證。 奇瑞發(fā)動機二廠的軸類生產線也是由高精度加工中心、CNC自動車床和全自動磨，以及拋光、清洗及檢測等各個制造單元FMC所組成的柔性制造系統(tǒng)FMS。 舉例來說，凸輪軸生產線內的機床選用了Siemens 840D、FANUC18i這些目前頂尖的系統(tǒng)來實現(xiàn)FMS的自動控制；通過奇瑞的技術人員與機床、控制系統(tǒng)開發(fā)商的共同研究，在原有平臺上新擴展和

5、開發(fā)了多種控制功能和軟件。例如端面加工單元，其控制系統(tǒng)為Siemens 840D，為了配合多品種生產所需的大容量刀具存儲單元以及高速切削中的刀具壽命管理，Siemens數(shù)控系統(tǒng)中增加了ARTIS刀具檢測軟件，在切削過程中檢測主軸電機扭矩的變化，通過仿真及對比來監(jiān)控刀具狀態(tài)，確保加工的可靠性及穩(wěn)定性。同時，生產線的自動控制系統(tǒng)還擴展了主動檢測功能，在切削過程中實時對加工尺寸進行檢測，并將數(shù)據(jù)反饋至控制系統(tǒng)，隨機修正切削參數(shù)，以保證加工精度。 運儲技術直接關系到FMS的自動化程度以及可靠性，影響生產線的物流、開通率及品種切換周期等。軸類生產線利用高速龍門式機械手以及帶工件識別功能的中轉料倉組成了生

6、產線的運儲系統(tǒng)，機械手在X軸的運行速度可達120m/min，同時能夠根據(jù)各個加工單元發(fā)送的上料信號，在控制系統(tǒng)中通過高速、高精度的計算，在0.01s內確定出最優(yōu)化路徑的上料次序，保證生產線的加工節(jié)拍。 凸輪軸生產線的運儲系統(tǒng)還考慮到高濕環(huán)境以及地區(qū)地基的特點，增加了溫度的自動補償以及地基下沉補償功能。系統(tǒng)能夠周期性地檢測外界環(huán)境的變化以及自身精度的差異，通過系統(tǒng)中模塊化軟件的計算，進行自我診斷及補償，減少定位偏差。 凸輪軸生產線能夠共線加工多種型號的凸輪軸，加工范圍覆蓋了長度范圍300600mm的三缸/四缸汽/柴油發(fā)動機用凸輪軸，可以說建立這樣一條柔性生產線，相當于建立了7條以上的傳統(tǒng)凸輪軸線

7、，其意義已不僅是一個柔性制造系統(tǒng)，而是一個凸輪軸制造集中廠。 FMS的主要特點是能夠實現(xiàn)多品種共線生產，同時各品種之間的切換能夠快速且較為簡單的完成。此生產線通過尋找及對比多型號軸共同的定位及裝夾基準，來實現(xiàn)最為便捷的換型。 圖3 凸輪軸生產線柔性加工案例 根據(jù)市場需求，奇瑞公司2006年開發(fā)了新的鑄鐵發(fā)動機，為縮短投產周期，公司決定在原有鑄鋁缸體線上進行共線生產。通過產品的對比分析，我們對機械手的夾爪、夾具的定位銷及夾爪進行了調整和更換，同時，增加相應的刀具，修改加工程序和機械手的輸送控制程序，擴展工件型號裝置?？刂品矫妫覀冊跈C床操作界面上對加工類型的選擇進行了擴展，在機械手系統(tǒng)上增加了鑰

8、匙開關選擇加工類型。在生產換型中，切換機床上的NC程序選擇1.6L、1.8L或者2.0L的產品程序，并在機械手上選擇相應的鑄鐵或鑄鋁工件，控制系統(tǒng)會自動控制型號識別裝置放行相應的工件，機械手自動調用上下料程序，并自動調整上下料位置，機床則根據(jù)程序進行加工。整個單元的一致性由機械手的控制系統(tǒng)進行協(xié)調控制。由于生產線采用的是3個相對獨立的柔性制造單元，因此，可以一個單元一個單元的換型，即當?shù)诙?、第三加工單元還在加工鋁缸體時，第一加工單元已經進行了鑄鐵缸體的生產。 奇瑞公司的72系列發(fā)動機是裝載在QQ系列車型上的一款自主研發(fā)的發(fā)動機，2005年，隨著QQ的熱銷，為補充72系列發(fā)動機產能，我們在發(fā)動機

9、廠的481缸蓋線上抽出部分加工中心來加工72系列產品。由于兩個產品差異較大，因此我們采用了更換夾具的方式，將372的夾具安裝在481加工中心的托盤上，把372設備原有的數(shù)控加工程序直接拷貝過來，即可快速投入生產。 除了能共線生產同類型的產品，還可利用自制組合夾具在箱體類個別工序能力富余的設備上進行進氣管的加工。組裝夾具和程序編制同時進行，只用了2天時間，就完成了進氣管設備的調試。生產結束后，拆下組合夾具，重新裝上缸蓋的夾具，設備又立即恢復了正常的加工。 利用加工中心的柔性特點，對于已經定型的產品來說，多個品種在一條線上生產優(yōu)勢更為明顯。奇瑞公司新建的一條缸蓋線可共線加工數(shù)個品種，包含汽油機和柴

10、油機。由于這些產品都已基本定型，因此夾具和上料系統(tǒng)可以進行通用設計，刀具的設計也充分考慮多品種共用，以便節(jié)約成本并減少換刀時間。由于輸送輥道及上料裝置上設置了型號識別，夾具上也進行了防錯設計，機床已經具備了混流生產能力。 此外，產品切換也是多品種共線的關鍵部分。以軸類品種切換為例，首先，操作者在產品切換的界面中選定將要切換的型號，系統(tǒng)會提取事前輸入在系統(tǒng)中此型號對應的換型內容，提示及監(jiān)控整個換型過程；運儲系統(tǒng)中機械手的夾爪為伺服電機控制，由自動化控制系統(tǒng)發(fā)出指令，夾爪自動調整到位，同時機械手會返回完成信號至控制系統(tǒng)；機械手上還具備診斷開關，對位置進行判斷，如發(fā)現(xiàn)調整不到位，會立即反饋至控制系統(tǒng)

11、，發(fā)出報警，由操作者根據(jù)報警提示信息進行下一步的操作；機床的夾具部分可通過伺服系統(tǒng)在幾秒內自動調整到位，部分輔件需要人工進行調整或更換。生產線各制造單元，對于人工更換的部分均配備了機械輔助模塊及接近開關判斷，以保證換型的快捷和準確無誤。例如，生產線上的凸輪磨床，磨床在不同品種切換時，需要更換卡盤頂尖以及中心架的位置，在機床一側配備一個工具臺，工具臺內放置不同型號凸輪軸所對應的工裝。每套不同型號的工裝都通過信號開關與操作系統(tǒng)相連接，由操作系統(tǒng)進行監(jiān)控，如操作者忘記更換相應的頂尖，系統(tǒng)將提示并報警。只有所有相應的工裝全部拿出去并安裝在機床內部，同時原機床內部被更換下的工裝放回工具臺內，系統(tǒng)經過判斷

12、后才能確定換型完成，發(fā)出可以繼續(xù)加工的指令。 生產線通過自動控制及在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控下的人工調整來實現(xiàn)品種間的切換，生產線的品種切換可在15min內完成，保證了FMS的高柔性化、高效率。 FMS應用的注意事項 FMS的使用對產品設計、工藝規(guī)劃及生產組織提出了更高的要求。根據(jù)使用經驗，以下幾點應引起注意： 1. 根據(jù)產品系列特點，決定是否選擇及選擇何種程度的柔性制造系統(tǒng)。當生產綱領比較大（超過30萬），后續(xù)系列產品較少且產品比較穩(wěn)定時，不太合適選擇柔性系統(tǒng)。 2. 根據(jù)產品工藝特點，確定加工單元的分布，并選擇合適的物流運輸儲備方式。 3. 生產線產品差別較大時，為減少夾具更換時間，應盡量采用備用

13、托盤，更換時夾具和托盤一起更換，減少安裝及調整時間。 4. 在生產線規(guī)劃階段，要明確后期加工產品的范圍及材料，確定機床加工行程范圍、功率扭矩等的選型。 5. 由于生產線產品較多，產品的型號識別及防錯非常重要，產品設計及工藝規(guī)劃時應考慮充分，否則會導致撞刀甚至損壞機床。 6. 柔性生產換型，主要是夾具和刀具及程序的更換。夾具主要考慮夾具的輪廓尺寸，機床和夾具液壓油路的接口及控制；當批量小、品種較多時，可以考慮采用通用的組合夾具。刀具主要考慮刀柄接口形式，機床最大裝刀直徑及長度，合適的刀庫容量。設備上應采用刀具壽命監(jiān)控、備用刀具自動選擇、刀具破損檢測及刀具扭矩監(jiān)控等裝置。 7. 針對發(fā)動機制造來說

14、，柔性系統(tǒng)除了加工，還要考慮其他輔助設備，如試漏、清洗等，可以采用隨行夾具或多工位方式，通過型號識別，自動選擇加工工位，實現(xiàn)柔性化。 8. 生產部門應合理組織生產，畢竟每次換型都會有加工效率的損失，包括首件檢測等。尤其是在需要更換或調整的情況下，時間的損失及加工精度風險很大。 9. 由于后期產品擴充的需要，柔性制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng)應選擇通用的開放式數(shù)控系統(tǒng)，整條線的控制系統(tǒng)應盡量一致。 FMS的發(fā)展方向 目前，F(xiàn)MS的控制技術已經達到了較高的水平，集成化、標準化以及模塊化程度日益提高，自動化控制系統(tǒng)制造商以及用戶都根據(jù)實際運用不斷開發(fā)出新的平臺及控制軟件。 FMS日后的發(fā)展重點在于對控制技術在生產線上的延伸，開發(fā)新的控制平臺，通過仿真、模擬以及高位的計算，實現(xiàn)自學習、自維護功能；在日常加工過程中，自動控制系統(tǒng)能夠自動檢測其運行狀態(tài)，自動調節(jié)相應的參數(shù)以達到最佳狀態(tài)，從而具備自組織、自安排的能力，真正實現(xiàn)高速、高效和全自動的柔性制造單