汽车轮毂柔性加工自动化生产线开发技术分析
2018-8-14 来源：江苏速力达精密 南京林业大学 作者：牛韬 孙见君 张玉言
摘 要: 分析了国际上先进的铝合金轮毂机加工生产线的组成及其在多样化需求和新颖化发展趋势下存在的不足，提出了开发汽车轮毂柔性加工自动化生产线的新理念，从轮毂加工高端装备研制、高速轮毂输送与分拣成套系统研究、轮毂搬运机器人设计以及 MES系统开发等 4 个方面指出了汽车轮毂柔性加工自动化生产线面临的关键技术及其解决的技术路线。
关键词: 汽车; 轮毂; 柔性加工; 生产线; MES
0 引言
据中国汽车工业协会统计分析，近年来我国汽车产量与销量连续攀升，到 2015 年我国汽车已销售 2 459．76 万辆，比 2014 年增长 4．7%，再次刷新全球记录，连续七年蝉联全球第一。
汽车市场的蓬勃发展形成了对轻量化铝合金材料轮毂的巨大需求，也为汽车铝合金轮毂制造行业的发展提供了机遇。
铝合金轮毂机加工生产线主要由两台数控车床、一台数控加工中心和一台上下料机器人等组成。
然而，对于我国而言，在该生产线的建设上主要存在两方面的问题。首先，国内大型轮毂制造厂商，如中信戴卡股份有限公司，在组建生产线时所采用的数控立车和加工中心等设备均从意大利和德国等地进口，缺乏具有自主知识产权的核心技术，而且一条自动化生产线价格高达 1 000 万元，难以为大多数轮毂制造商所接受。
其次，传统的自动化生产方式需通过配置不同的机械加工生产单元来实现不同轮毂的加工，其对设备和场地的要求会随产品种类的增多而增加，造成生产成本的大幅增加，已无法满足当前整车市场对轮毂需求多样化和新颖化的发展要求。
因此，发展柔性加工装备和构建柔性自动化生产线来实现多类型变批量轮毂的自动化加工已是刻不容缓。
本文旨在通过汽车轮毂柔性加工自动化生产线功能分析，提出生产线的高端装备与系统组成，设计高端装备与系统制造的关键技术，为促进我国轮毂行业发展，打破制造技术壁垒提供支持。
1 、功能分析与结构组成
汽车轮毂柔性自动化生产线开发的目的是实现不同型号汽车轮毂的自动上下料、粗加工、精加工及钻孔等完整的流水作业功能，使上位机能够根据所获取的生产线上各个设备的加工状态和参数的不同来智能调整各设备的工作速度，实现生产线各设备工作状态的实时监控和故障处理。
汽车轮毂柔性自动化生产线应包括:
1) 单工位双单
刀塔数控立车和数控加工中心，使其能根据输送与分拣成套系统所识别的轮毂结构和尺寸，进行夹具和程序的调整以完成轮毂正反表面以及轮毂气门孔附近下表面的车削、
轮毂气门孔以及上面多个孔的钻削;
2) 高速输送与分拣成套系统。搭建上下料输送滚道、废料下料滚道以及轮毂自动识别与分拣软硬件平台，使其能对上料输送装置运送过来的毛坯进行检测，识别并记录轮毂的结构和尺寸，对下料输送装置的轮毂成品进行分拣，实现不同型号轮毂的分类放置;
3) 轮毂搬运机器人
在机器人本体基础上研制可适应轮毂尺寸变化的末端执行装置及其感知系统，实现不同尺寸轮毂的自动抓取和搬运，以便高效地配合不同工序机床的加工;
4) 制造执行系统( manufacturing execu-tion system，MES
针对轮毂柔性化生产的实际需求，提出 MES 总体技术方案，并建立 MES 功能模块，实现轮毂识别装置、数控机床以及机器人等之间的互联互通、高效协同与集成，且通过维护和利用实时准确的制造信息来指导、传授、响应并报告车间发生的各项活动。
2 、关键技术及拟采取的技术路线
2．1 汽车轮毂加工高端装备研制及关键技术
轮毂机加工的高端装备主要包括单工位双 /单刀塔数控立车和数控加工中心。研发的要求为:
1) 设计适合多规格轮毂加工的单工位双 /单刀塔立车及加工中心柔性夹具总体结构，保证结构紧凑、密封性好、传动部件少和装拆方便;
2) 对夹具关键部位的应力、应变进行分析，以保证夹具强度与刚度要求; 研究夹具在切削力作用下，夹持轮毂的稳定性以及夹紧力的检测; 通过 PLC 编程自动调节控制夹具的夹紧力;
3) 研究柔性夹具控制系统、夹紧系统及检测系统等系统软件集成和硬件协调平稳运行技术;
4) 研制一种用于自动化条件下的工件偏置检测装置，使其能够判断机器人装夹工件过程中工件是否被铁屑垫高或放置不正。避免因放置问题而影响产品精度，进而提高产品的合格率;
5) 完成单工位双/单刀塔数控立车和加工中心整机的设计、制造、组装、调试以及系统改进。需重点解决的技术难题为单工位双 /单刀塔数控立车及加工中心柔性夹具结构设计、柔性夹具力学分析及夹紧力检测控制、夹具系统集成控制和工件偏置检测研究。技术路线如图 1 所示。
图 1 汽车轮毂加工高端装备研究技术路线
2．2 轮毂高速输送与分拣成套系统研究
轮毂高速输送与分拣成套系统的研究内容包括:
1)上下料输送滚道和废料下料滚道等硬件系统的搭建;
2)研究各种轮毂的形状生成规律和特征，挖掘新的识别策略和方案;
3) 针对不同型号轮毂特点，研究高质量的机器视觉图像采集方法和目标图像的特征提取方法，寻找准确、有效、简洁的轮毂内部结构表达方式;
4) 根据提取出的图像特征，研究识别分类器设计和优化方法，提高在线识别的实时性和准确率。需重点解决的技术难题为多类型汽车轮毂自动识别方案设计和图像识别过程设计。技术路线如图 2 所示
图 2 高速轮毂输送与分拣成套系统研究技术路线
2．3 轮毂搬运机器人设计及关键技术研究
轮毂加工柔性自动化生产线上能实现从输送滚道上取放工件到轮毂定位台、检测台和机床工作台上，取放工件的整个循环过程全自动化的设备是机器人。要实现这些功能，需要从机器人手爪设计、运动规划分析和控制系统设计三个关键方面开展研究:
1) 考虑轮毂的外形特点及尺寸范围，完成机器人手爪部件的设计和优化以及极限工况下的强度刚度分析，设计手爪的非线性控制器，完成力/位控制，使其能够根据轮毂型号的不同自动确定手抓的松开和夹紧情况;
2) 根据机器人的本体结构建立其运动学模型，设计机器人的可达工作空间; 开展动力学分析，研究合适的柔性加减速模型，优化连续点位运动规划算法，保证各数据点之间的平滑过渡，使得机器人的运行效率接近最高，消除超调，避免因速度、加速度不连续导致的振动，且使得机器人各关节能够在时间上同步，确保机器人能够准确经过中间过程点;
3) 按照模块化思想建立机器人控制系统的整体方案，分别进行硬件系统和软件系统的设计。其技术路线如图 3 所示。
图 3 轮毂搬运机器人研究技术路线
2．4 MES 系统研究与设计
汽车轮毂柔性自动化生产线 MES 系统包括集成管理模块、现场数据采集模块、可视化监控模块和系统安全管模块，具体研究内容:
1) 考虑集成解决方案的实用性和接口传输速度，确定 MES 系统与计划层系统及控制层系统的集成方式，实现 MES 与计划层之间物料清单、工艺数据、计划执行情况和生产信息等的相互交换和共享，完成各设备内部程序之间的集成、互联互通和协调运行;
2) 为适应混线生产的特点，提出新的可配置的生产数据采集方案，使其在生产过程中，可根据产品类型自适应的采用不同的数据采集方案; 开发数据采集系统软件，对轮毂状态信息各设备信息等进行实时采集;
3) 设计可视化监控模块，通过设备网络与各个工艺系统和设备通讯，通过监控站或客户端对车间内的生产情况、设备运行状况等进行实时监控和异常信息报警;
4) 建立维修知识库，开发具有自学习功能的维修管理信息系统，实现辅助故障诊断。需重点解决的技术难题为数控程序的传输技术、实时数据采集技术、可视化远程监控技术和维修知识库的建立与维修向导技术。技术路线如图 4所示
图 4 MES 系统研究技术路线
3 、结语
汽车轮毂柔性加工自动化生产线的研发具有多学科交叉和多技术融合的特征。解决好汽车轮毂柔性机加工专用夹具的优化设计、轮毂加工高端数控装备的智能识别策略，机器人末端工具及连续点位运动规划算法优化以及轮毂自动化柔性生产的 MES 系统建立等问题，是研发汽车轮毂柔性加工自动化生产线的关键。汽车轮毂柔性加工自动化生产线的成功研发，也必将为其他轮盘类零件的柔性生产提供有益的借鉴。
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相关信息
- target=_blank>激光加工技术在城市轨道车辆制造中的应用
- target=_blank>细说数控仪表车床的原理和使用方法
- target=_blank>激光切割技术在船舶制造中的应用现状与发展趋势
- target=_blank>高温合金在航空发动机领域的应用现状与发展
- target=_blank>数控机床中关于轴与光栅尺屏蔽的研究
新闻资讯
| 更多
- target=_blank>Creaform 形创推出全新升级版光学三坐标三维扫描仪和探测组合套件
- target=_blank>五轴超精密加工机床底座设计技术研究
- target=_blank>基于精雕系统的七级叶轮加工技术实践
- target=_blank> 以柔性制造加固核心壁垒—访西派集团有限公司董事长梁桂华先生
- target=_blank>HELI系列的新发展
- target=_blank>坚定投资中国 助推高质量发展——访埃斯维机床（苏州）有限公司总经理 Norbert Wiest 先生
- target=_blank> 最是步稳能致远—访台湾雷威精密机械有限公司总经理熊健男先生
- target=_blank>直击CES 2024：西门子瞄准沉浸式工程和人工智能，驱动工业元宇宙创新
- target=_blank>汽车轮毂加工方法与工艺分析
- target=_blank>超细刀具的齿槽加工方法
