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AFTL敏捷柔性自动生产线
2019-4-26  来源:机械科学研究总院资深顾问  作者:陈长年
      发动机制造装备可谓第一汽车制造装备,是现代汽车零部件集成制造技术的经典。发动机关键零部件的敏捷柔性自动线(AFTL)属于第三代自动生产线,95%左右进口。从20世纪末至今,据不完全统计,已经有约200条安装或将安装,平均单价约2000万美元。如,仅意大利柯马公司2008~2010年即提供了20条AFTL。

      AFTL的关键技术

      首先是生产线的数字化设计。这要求供应商按照精益、敏捷理念,采用协同仿真技术---使用户能够选择技术、经济优化的方案。采用了这种数字化设计技术后, 其新产品推向市场的速度可加快30%,重复设计减少65%,生产规划流程精简40%。

      AFTL还应具有可重构模块的高速加工中心(RMT),作为新一代加工缸体、缸盖生产线的核心技术。其特征是:模块化、高速化、干切削。只有模块化才能实现可重构;只有模块化才能大幅度降低制造和使用成本。

      AFTL还需要在线检测。为实现大批量高生产率条件下的在线精密检测,要求检测设备的分辨率达1μm,整个测量形貌的测量周期在数十秒以内,测点达到几百万个以上。目前完全依赖进口。

      另外,在AFTL中柔性夹具的设计至关重要。柔性夹具设计需要精通零件制造工艺,这也是国外企业对我国封锁的核心技术和盈利的诀窍,也是我国机床企业的软肋。最近一汽发动机FTL招标中,德国公司一个工位柔性夹具价格约20万欧元,与卧式加工中心价格相当!

      物流系统被视为“第二类生产”,包括自动上下料、工件传输储运、实时工厂物流系统,可极大提高现代发动机生产的效率和可靠性。为零库存提供可能。先进的工厂物流系统是现代发动机生产实现精益和敏捷的关键。自动上下料最新发展是采用机器人(机械手)自动上下料,以便增加通用性和柔性。

      在AFTL中,信息系统尤为重要,尤其是自动线CNC控制系统,其复杂程度不是只控制单个机床可比拟的。世界上只有少数几家顶级公司有此能力,我国目前空白。

      最后是两个指标的要求,自动线可靠性技术:需要满足整条自动线工序能力指数Cpk值≥1.67,平均无故障工作时间MTBF≥3000h的要求。

      敏捷柔性自动线的基本技术要求

      现代壳体类零件机械加工自动线属于“敏捷柔性自动线”,以便满足现代动力总成壳体类零件生产线“多品种、大产量、高效率、低成本”的需要。敏捷柔性自动线使用的机床类型为“刚柔混合”型——以高速加工中心满足生产线高柔性要求,以数控专机满足高效率要求,并可降低投资成本。刚柔混合程度(深度、中度、轻度)要从采用协同仿真技术的数字设计多方案中选择。

      AFTL线中集成应用以下技术:FA技术,又称“无人或熄灯生产”技术;壳体类零件高速切削技术;干切削、MLQ切削技术;壳体类零件精密加工技术;生产线多品种工件混流技术;敏捷物流系统;生产线信息采集、分析、反馈、集成控制技术;在线检测系统及集成应用技术。

      1. 敏捷柔性自动线的高速加工工艺及装备

      (1)高速切削工艺

      根据日本汽车制造业的历史数据,汽车制造业平均每5年切削效率要提高28%,其中切削速度平均提高19%,进给速度平均提高8%;而最近几年切削效率提高的幅度在30%以上。目前制造发动机主要零件的生产节拍已经缩短到了30~40s,比十几年前缩短了50%。发动制造企业为提高加工效率,都进行了技术改进。如,上海大众汽车通过使用HSK刀柄,涂层硬质合金、金属陶瓷、CBN、PCD刀具,满足高主轴转速、高进给速度、高加/减速(三)的要求——只有“三高”才能实现高效加工(HPC);上海通用汽车,通过使用SECO公司的CBN300刀片进行灰铸铁缸体平面干式铣削,切削速度达到了1600m/min,刀具寿命提升了4倍。

      (2)高速模块式机床

      用于铝合金壳体类零件生产线主轴最高转速一般为15000~20000r/min,工件进给最高速度40~60m/min,快速移动速度高达60~90m/min;加速度达到1.0~1.5g,换刀时间(刀-刀) 1.5~3.5s、甚至0.8~0.9s;定位精度/重复定位精度——工作台1m以下,8μm/4μm (VDI标准),工作台1m以上,10μm/5μm/M (VDI标准)。关键工序的机床工程能力指数/工序能力指数Cmk/Cpk值≥2.0/1.67 。

      具有可重构模块的高速加工中心(RMT),作为新一代加工缸体、缸盖生产线的核心技术。其特征是:模块化、高速化、干切削。目前,这类加工中心的最新发展是,主运动普遍采用电主轴,进给运动普遍采用直线电机。普遍运用三坐标模块式和箱中箱结构。

      同时要求带有断刀检测、机内自动测量、自动补偿系统、对刀装置等。

      2. 敏捷柔性自动线的智能物流系统、信息系统

      (1)智能物流系统

      由原材料处理、存储、上下料装置、机床间工件传输装置组成。在单台数控机床配备工件库或原材料库和自动上下料装置(含机械手、机器人)的条件下,即在与物料存储与传送及其自动控制集成的条件下,构成柔性制造单元(FMC)。在多台数控机床配备自动上下料与物料存储和传送及与生产计划调度用计算机集成的条件下,构成柔性制造系统(FMS)。在不含计划调度系统和工件单向流动时,组成柔性生产线。

      (2)智能物流部件——无人搬运小车AGV(Automatic Guided Vehicle)

      AGV显著特点的是无人驾驶,AGV上装备有自动导向系统,可以保障系统在不需要人工引航的情况下就能够沿预定的路线自动行驶,将货物或物料自动从起始点运送到目的地。

      AGV的另一个特点是柔性好,自动化程度高和智能化水平高,AGV的行驶路径可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活改变,并且运行路径改变的费用与传统的输送带和刚性的传送线相比非常低廉。AGV一般配备有装卸机构,可以与其他物流设备自动接口,实现货物和物料装卸与搬运全过程自动化。此外,AGV还具有清洁生产的特点,AGV依靠自带的蓄电池提供动力,运行过程中无噪声、无污染,可以应用在许多要求工作环境清洁的场所。

      AGV在自动生产线的应用————色块

      AGV在制造业的生产线中能够高效、准确、灵活地完成物料的搬运任务。并可由多台AGV组成柔性的物流搬运系统,搬运路线可以随着生产工艺流程的调整而及时调整,使一条生产线上能够制造出十几种产品,大大提高了生产的柔性和企业的竞争力。

      1974年瑞典的Volvo Kalmar轿车装配厂为了提高运输系统的灵活性,采用基于AGVS为载运工具的自动轿车装配线,该装配线由多台可装载轿车车体的AGVS组成,采用该装配线后,装配时间减少了20%,装配故障减小39%,投资回收时间减小57%,劳动力减小了5%。目前,AGV在世界主要汽车厂,如通用、丰田、克莱斯勒以及大众等汽车厂的制造和装配线上得到了普遍应用。

      (3)智能信息系统

      主要包括生产线控制、刀具更换、工装及附具更换、工件调度、自动编程、自动监控、自动补偿、工件质量自动检测、刀具磨损或破损后的自动更换和自动报警等。要求具有CAD/CAM功能,远程生产线管理和维护、故障诊断和自动修复功能等。

      车间智能制造管理系统(manufacturing execution system,简称MES)是美国在20世纪90年代初提出的,旨在加强MRP计划的执行功能,把MRP计划同车间作业现场控制,通过执行系统联系起来。这里的现场控制包括PLC程控器、数据采集器、条形码、各种计量及检测仪器及机械手等。MES系统设置了必要的接口,与提供生产现场控制设施的厂商建立合作。

      MES对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理,对工厂事件及时做出响应、报告、跟踪及处理,对生产状态的快速响应使MES能够优化工艺流程,提高管理效率,有效地指导工厂的生产运作过程。

      MES是企业CIMS信息集成的纽带,是实现车间生产敏捷化的基本技术手段;是近10年来在国际上迅速发展、面向车间层的生产管理技术与实时信息系统。MES可以为用户提供一个快速反应、有弹性、精细化的制造业环境,帮助企业减低成本、按期交货、提高产品质量。
   
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