輪轂加工單元的開發與應用分析

頡鵬奎，劉文濤

（寶雞機床集團有限公司，陜西 寶雞 721013）

0 引言

近幾年，受國家宏觀政策調控及居民消費水平提高的影響，我國汽車工業進入了一個高速增長期。汽車輪轂加工企業為提高生產效率，保證產品質量，普遍重視生產過程的自動化程度，輪轂自動化生產線逐漸被企業所認同并采用。面對這種局面，國內企業也紛紛轉型或加大對汽車制造行業的投資。然而，對于我國而言，建設輪轂自動加工生產線技術水平不夠成熟，進入輪轂自動加工市場比較晚，國內幾家規模較大的輪轂制造廠商，前期大部分自動線設備主要從國外進口，缺少具有自主知識產權的核心技術。國外進口自動線設備價格昂貴，其次，售后和設備改造升級成本太高，已無法滿足市場變化對輪轂需求多樣化的發展要求。因此，組建具有自主知識產權的輪轂加工裝備已經迫在眉睫，本文旨在通過汽車輪轂加工自動化生產線功能分析，提出生產線的高端裝備與系統組成，設計高端裝備與系統制造的關鍵技術，為促進我國輪轂行業發展，打破制造技術壁壘提供支持[1]。

1 功能分析及組成結構

輪轂加工單元主要用于汽車鋁制輪轂的車削及鉆削工作，汽車輪轂加工單元主要由兩臺數控車床、一臺加工中心和一臺六關節機器人等其他設備組成，單元成環島式排布，可針對不同場地進行模塊化布局，多個單元通過一套輸送長料道連接為一體組成汽車輪轂生產線。常見輪轂加工單元布局如圖1所示。

圖1 輪轂加工單元布局

輪轂單元具有輪轂型號的自動檢測識別系統、輸送料道上輪轂自動分區系統，輪轂氣門芯孔加工前識別系統，輪轂裝夾定位可靠性檢測系統等智能化系統，能夠滿足輪轂型號的自動識別、廢品自動剔除、工件尺寸變化檢測并實現自動刀補、不同型號輪轂混流生產的需求，并且配有工業機器人進行加工過程中的輪轂搬運，實現了整個輪轂加工區的無人化作業，減輕了工人的勞動強度，提高了產品質量。

2 關鍵技術及擬采取的技術路線

1）工序一采用單工位雙刀架，由雙通道數控系統控制，兩個六工位伺服刀架可各自獨立對刀和進給，兩個刀架可同時對輪轂進行內外圈加工，應用靈活，通用性強；一套控制、兩套進給，加工效率高。為了平衡加工節拍，建議工序二采用單工位單刀架數控立式車床完成輪轂表面的車削。工序三采用數控立式加工中心完成輪轂氣門孔以及上面多個孔的鉆削。

2）上料道功能結構分析。輪轂準備進入上料道時，待檢測區的阻擋桿會根據該區是否有輪轂，以決定阻止還放行輪轂繼續前進。同樣，輪轂進入待檢區后，是否前行，也是根據檢測區是否空閑，來發出信號，是否打開阻擋桿放行，以防止生產線上的輪轂產生相互干涉。進入檢測區后，如圖2所示[2]。

圖2 輪轂加工單元上料道示意圖

表1 輪轂加工推薦機床參數表

3）手爪功能結構分析。目前機器人上輪轂夾持手爪一般有兩種結構形式，如圖3所示[3]。

圖3 輪轂手爪示意圖

表2 輪轂手爪特點比較

4）輪轂型號識別檢測、氣門孔位置檢測。輪轂型號識別檢測思路：為了區別與加工程序不符的輪轂進入加工生產線，致使設備損壞。輪轂系統由紅外線輪型識別和一套支撐旋轉機構組成。輪轂進入檢測區后，提升機構將輪轂頂起，然后轉動，紅外線感應器從輪轂上方或側面，對輪轂大小及輪輻的形狀進行檢測，系統會根據檢測結果，判斷輪轂型號是否正確。以便系統控制機器人是將該輪轂放入設備加工還是剔除系統。

氣門孔定位檢測思路：為了使立式加工中心在鉆削過程中精確地找到氣門芯的正確位置，在輪轂毛坯鑄造階段，在氣門芯的位置上鑄造凸臺，凸臺是用來定位的，在鉆削氣門孔前機器人抓取輪轂到指定拍照位置對氣門孔進行精確定位，當工業照相識別系統檢測到定位凸臺特征時，會反饋給輪轂單元控制系統，機器人通過計算，自適應調整后將以正確的姿態件輪轂放置到下一工序加工設備上，如圖4所示。

圖4 相機拍照示意圖

5）總線控制系統的研究與設計方向。汽車輪轂加工單元總線控制系統主要分為監測和控制兩部分。總線控制系統使用PLC及觸摸式屏幕，PLC包含通信模塊、本體I/O及遠程擴展I/O模塊。

監測功能主要包含以下幾個方面：監測各個加工設備的運行狀態，并在屏幕顯示，包含各個加工設備的運行、停止和故障等，需要更改設備的梯圖，以滿足信號傳輸要求；監測各個加工設備與總控和機器人的交互信號，如取放料、傳輸機構等相關傳感器信號，相關信號狀態在屏幕顯示；監測機器人和料庫的交互信號；監測加工設備和機器人及料庫的報警信息記錄，方便查看。

控制功能主要包含以下幾個方面：a.程序啟動功能。可以在總線控制操作界面上，切換并啟動機器人的運行程序。b.所有設備的急停控制。總控臺急停后所有設備處于急停狀態。c.運行停止功能。自動運行時，防護門打開或按下停止按鈕后機器人處于停止狀態，加工設備和料庫不停止；自動線各加工設備、料庫、機器人通過總線控制系統設置可單獨運行，當機器人停止時機床可由人工單機操作。

6）輪轂中心孔直徑及蓋帽高度自動檢測機分析。輪轂中心孔直徑及蓋帽高度自動檢測系統是由工控機及PLC構成的智能化測控系統、中心孔直徑自動測量單元、蓋帽高度自動檢測單元組成。檢測機可自動與加工單元的工業機器人通信，機器人將加工后的輪轂自動放置到檢測機定位座后，自動測量中心孔直徑和蓋帽距輪轂端面的距離。測量時，以輪轂定位面和中心孔為基準，測量結束后，測量數據自動反饋給機器人。

檢測機推薦主要技術指標為：傳感器測量分辨力為1 μm；直徑重復測量精度為±2 μm；直徑量具測點距離量具頂端，距離應小于10 mm；直徑量具測點距離安裝面定位平面，距離大于等于3 mm；蓋帽高度重復測量精度為±0.05 mm。

檢測機主要特點及功能為：一般推薦采用觸摸式顯示屏，可方便地設置、修改和保存測量參數和標準件參數；中心孔測量點可在圓周≥90°范圍內調整，調整后可以固定；測量中心孔直徑功能；測量蓋口到安裝面高度功能；具有氣吹清潔定位面鋁屑和少量切削液功能；測量過程自動進行，無需人工干預，自動顯示測量結果；自動保存測量數據，可動態顯示測量值波動圖，可按照日期、型號等進行查詢，可進行CPK及CP等統計分析；可按照企業計算機網絡文件需求，將測量數據按照規定的格式保存在計算機硬盤中，具有網絡接口，便于企業通過以太網讀取測量數據。

7）輪轂機床夾具設計應用分析。車一序輪轂加工機床建議采用雙刀架立式車床，雙刀架立式車床可采用雙級油缸壓板式工裝，雙級油缸壓板式工裝結構性能穩定，能承受較大的切削力。車二序采用單刀架立式車床，單刀架立式車床建議采用機床一序加工完成的中心孔套入固定芯軸定位，并采用壓板式工裝壓緊。立式加工中心三序機床采用四軸轉臺工裝，通過芯軸定位后壓緊輪轂。各序機床工裝均設置氣密檢測系統，若出現輪轂放置不到位或者夾具未完全夾緊時可實現氣密檢測報警，防止出現意外。同時針對輪轂鑄造時不同模具導致輪轂外形尺寸的差別，機床工裝上均建議安裝位移傳感器，位移傳感器的位置對應相同型號不同批次零件的正確裝夾指示。

3 結語

在汽車需求量不斷提升的今天，汽車市場呈現一派欣欣向榮之色。汽車鋁合金輪轂的應用廣泛，因此需要加強輪轂自動化生產線開發技術研究，改善傳統生產線中存在的問題，解決疑難雜癥，進一步優化相關系統，從而提高輪轂的生產效率與生產質量[4]。