汽車輪轂潔凈制造自動化生產(chǎn)線設計＊

徐帥強 張彥彬 周宗明 劉 波 李長河

（①青島理工大學機械與汽車工程學院，山東 青島 266520；②漢能(青島)潤滑科技有限公司，山東 青島 266200；③四川明日宇航工業(yè)有限責任公司，四川 什邡 618400）

汽車輪轂是車輛的重要組成部分，車輛的整體性能與其緊密相關[1]。汽車輪轂質(zhì)量的優(yōu)劣取決于汽車輪轂生產(chǎn)線的合理布置，然而現(xiàn)階段我國輪轂制造企業(yè)普遍存在自動化程度不高的問題。這不僅使得人工成本巨大，更造成加工過程中產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。隨著國內(nèi)外生活水平的提升以及疫情后社會生產(chǎn)的恢復，國內(nèi)輪轂制造企業(yè)訂單與日俱增。設計高效的汽車輪轂自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)高質(zhì)量輪轂產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)是大勢所趨。

本文在自動化生產(chǎn)線中開發(fā)了融合料架、轉(zhuǎn)運機械臂和輸送輥道的上下料系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)線布局的密集性和產(chǎn)線功能上的可拓展性；設計了配合使用的車削內(nèi)外圓專用夾具，實現(xiàn)機床上輪轂內(nèi)外圈的連續(xù)加工，提升加工的精密性與連續(xù)性。通過車削力計算和夾緊力設計保證產(chǎn)線加工質(zhì)量的同時，驗證了產(chǎn)線生產(chǎn)效率的提升。

1 產(chǎn)線整體方案設計

1.1 現(xiàn)有技術及其難點

如圖1 所示為，汽車輪轂生產(chǎn)線中進行加工和轉(zhuǎn)運的輪轂工件。在實際使用中，其規(guī)格主要為15～20 英寸。汽車輪轂毛坯在生產(chǎn)線中，經(jīng)過對外輪輞、胎圈座、輪輻正面、內(nèi)圓和輪輻反面進行粗、精車削加工，以及鉆、鉸中心孔、安裝孔、氣門孔，銑輪輻風口，最終生產(chǎn)出成品[2]。

圖1 輪轂工件

傳統(tǒng)的汽車輪轂生產(chǎn)模式中：

（1）在生產(chǎn)線布置方面：生產(chǎn)線常采用并聯(lián)式布局，各加工單元之間并行，配備各自的物料傳輸機構。這導致生產(chǎn)線易形成“孤島型布局”[3]，降低生產(chǎn)線的連續(xù)性和連貫性，也給后期產(chǎn)線的拓展也帶來了不便。

（2）在加工單元布局及工序安排方面：各加工單元主要采用島式布局，即兩臺臥式車床和一臺加工中心呈品字型部署，形成一個島式的加工單元[4]。

其對應的工序安排為，先夾持輪轂工件的一邊胎圈座，車削加工外輪輞、胎圈座、輪輻正面，再夾持輪轂工件另一邊胎圈座對剩余外輪輞、胎圈座、內(nèi)圓、輪輻反面進行車削加工，最后再進行中心孔、安裝孔、氣門孔以及輪輻風口的加工[5]。

此類3 臺機床形成的島式加工單元，在加工連續(xù)性的保證上較為困難，生產(chǎn)中機床空閑時間較長，影響生產(chǎn)效率；同時機加工工序安排中，工件裝夾次數(shù)較多會對工件的加工精度產(chǎn)生影響，使得加工質(zhì)量下降。

（3）在上下料系統(tǒng)方面：生產(chǎn)線中的上下料多采用人工上下料的方式；料架設計多采用層疊式料架。人工進行的搬運和裝夾導致產(chǎn)品性能不穩(wěn)定；層疊式料架則面臨著工件出現(xiàn)次品無法及時剔除的問題。

綜上所述，汽車鋁合金輪轂生產(chǎn)中還存在上下料系統(tǒng)自動化程度低，車間布局亟待完善；機械手結構設計需要合理化；加工工藝以及夾具需要更新等問題。

1.2 生產(chǎn)線的整體設計

針對以上技術難點，進行了汽車輪轂生產(chǎn)線優(yōu)化設計，具體方案如下。如圖2 所示為汽車輪轂生產(chǎn)線。汽車輪轂生產(chǎn)線由轉(zhuǎn)運機械手、料架、橫移機械臂、加工中心、雙主軸雙刀塔臥式車床和輪轂輸送輥道組成。各加工單元以串聯(lián)的形式，通過輪轂輸送輥道實現(xiàn)連接，形成串聯(lián)式的汽車輪轂生產(chǎn)線[6]。

圖2 汽車輪轂生產(chǎn)線

如圖3 所示為汽車輪轂生產(chǎn)線平面布局及動作流程：輪轂毛坯先由轉(zhuǎn)運機械手從料架搬運至輸送輥道首端，根據(jù)產(chǎn)線調(diào)度指令由輸送輥道運送到指定的加工單元。輪轂毛坯再由橫移機械臂從輸送輥道上抓取至雙主軸雙刀塔臥式車床進行相應的工序加工。之后橫移機械臂將輪轂工件從車床上抓取至加工中心進行加工。輪轂完成機加工工序內(nèi)容后，由橫移機械臂將工件轉(zhuǎn)運至輸送輥道處，輸送輥道將輪轂運輸至尾端。最后由轉(zhuǎn)運機械手將輪轂抓取至料架，并轉(zhuǎn)運至倉庫儲存。

圖3 平面布局及動作流程圖

1.3 工藝的優(yōu)化設計

考慮加工節(jié)拍的匹配，對應加工單元中機床配置，對工序安排進行優(yōu)化設計。工序安排如表1 所示。

表1 輪轂的加工工序

2 產(chǎn)線主要部分設計

2.1 上下料系統(tǒng)

上下料系統(tǒng)由輸送輥道，轉(zhuǎn)運機械手以及料架組成。系統(tǒng)中輸送輥道是輪轂生產(chǎn)線實現(xiàn)串聯(lián)式布局的基礎，建立起各加工單元間的聯(lián)系。

料架設計為回轉(zhuǎn)式料架，其結構如圖4 所示。其中料架行走平臺承載料架保持架，料架回轉(zhuǎn)裝置以及懸掛在料架回轉(zhuǎn)裝置上的懸掛式料倉，并由AGV 小車拖動，從而將輪轂工件運送至特定工作位置。本著能量消耗最少的原則，上下料系統(tǒng)中工件的抓取采用定點抓取的方式。其動作過程簡單、回轉(zhuǎn)空間緊湊。

圖4 料架

上料過程中，由電機減速器加鏈傳動組成的動力部分帶動料架回轉(zhuǎn)裝置繞中軸做回轉(zhuǎn)運動。在轉(zhuǎn)運機械手將處于抓取位置的輪轂取下后，回轉(zhuǎn)裝置回轉(zhuǎn)并帶動懸掛式料倉進入抓取位置，轉(zhuǎn)運機械手可進行下一次抓取。料架中的工件全部抓取完畢，空料架由AGV小車拖離工作位置，載滿工件的新料架再進入。下料過程中，轉(zhuǎn)運機械手抓取輸送輥道上的工件成品，將其放置在料架內(nèi)空的懸掛式料倉中。接著回轉(zhuǎn)裝置動作，使空料倉進入放置位置。待料架裝滿后離開工作位置，空料架再進入位置。

2.2 機械手

汽車輪轂生產(chǎn)線中，涉及的兩種機械手分別為轉(zhuǎn)運機械手和橫移機械臂：前者在上下料系統(tǒng)中，負責抓取輪轂完成上下料的操作；后者在加工單元中，負責抓取輪轂完成輪轂在輸送輥道，雙主軸雙刀塔臥式車床和加工中心之間的轉(zhuǎn)運。在構成上，轉(zhuǎn)運機械手由機械手座和機械手爪兩部分組成，如圖5 所示。機械手座負責動作功能，機械手爪負責夾持功能。安裝時固定機械手座實現(xiàn)轉(zhuǎn)運機械手的固定。

圖5 轉(zhuǎn)運機械手

橫移機械臂由機械手座，機械手爪與電機絲杠組件3 部分組成，如圖6 所示。安裝時固定電機絲杠組件實現(xiàn)橫移機械臂的固定。橫移機械臂在空間中的動作由機械手座實現(xiàn)X軸方向上的轉(zhuǎn)動、Y軸方向上的移動和轉(zhuǎn)動以及Z軸方向上的移動和轉(zhuǎn)動，由電機絲杠組件實現(xiàn)機械手在X軸方向上的橫移。

圖6 橫移機械臂

同時由于二者在抓取功能上的一致性，故采用同一種機械手爪進行抓取。機械手爪在夾持過程中，由氣缸驅(qū)動機械手爪夾持部分。根據(jù)六點定位原理，4 組機械手爪夾持部分相互配合，限制輪轂工件在X軸方向上的移動和在Y軸方向上的移動，并對輪轂工件進行夾緊，主要定位表面限制輪轂工件在Z軸方向上的移動，在X軸方向上的轉(zhuǎn)動以及在Y軸方向上的轉(zhuǎn)動，機械手在定位的過程中進行夾緊，完成對輪轂工件的定位夾緊。機械手爪結構如圖7 所示。

圖7 機械手爪

2.3 加工單元

安裝有專用夾具的雙主軸雙刀塔臥式車床，加工中心以及橫移機械臂組成汽車輪轂生產(chǎn)線的1 個加工單元。

加工單元中雙主軸雙刀塔臥式車床同加工中心面對面布置，由二者之間的橫移機械臂進行工件的轉(zhuǎn)運。這樣的配置，在加工時，可以使工件裝夾的次數(shù)盡可能的少，通過機床內(nèi)部中轉(zhuǎn)臺完成工件在不同夾具上的轉(zhuǎn)移，提升了加工的精密性和可靠性[7]。如圖8 所示為，雙主軸雙刀塔臥式車床結構圖。

圖8 臥式車床結構圖

雙主軸雙刀塔臥式車床涉及的兩款夾具分別為內(nèi)撐式夾具和外夾式夾具。

2.3.1 內(nèi)撐式夾具

內(nèi)撐式夾具結構如圖9 所示。在定位夾緊過程中，由氣缸推動內(nèi)撐式夾具卡爪沿滑道進行往復運動，內(nèi)撐式夾具卡爪接觸輪轂工件內(nèi)表面。

圖9 內(nèi)撐式夾具

2.3.2 外夾式夾具

外夾式夾具結構如圖10 所示。在定位夾緊過程中，氣缸推動滑動卡頭沿卡爪上的滑槽進行往復運動，外夾式夾具卡爪繞帶螺紋銷軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)4組卡爪對工件的“抱緊”。

圖10 外夾式夾具

橫移機械臂上料過程中，兩組夾具的定位夾緊，皆由氣缸驅(qū)動4 組卡爪實現(xiàn)。通過氣壓系統(tǒng)中的同步回路完成4 組卡爪的同時動作，從而達到自定位的效果。通過氣壓回路設定溢流壓力，兩組夾具可以適應不同尺寸的工件，達到柔性化設計的效果。

如圖11 所示為，外夾式夾具卡爪裝置運動簡圖。其自由度求解為：

圖11 夾具運動簡圖

式中：F1為夾具卡爪裝置自由度；n為活動構件數(shù)；PL為低副數(shù)；PH為高副數(shù)。

經(jīng)計算夾具卡爪裝置自由度為1。如圖12 所示為夾具的受力分析圖。

圖12 夾具受力分析

由受力分析可得：

式中：P為氣缸推力；F12x、F12y為支反力；FNx為工件對夾具水平方向的反作用力；FNy為夾緊力；hAC為C點到A點的垂直距離；hAB為B點到A點的垂直距離;θ為工件夾持位置與豎直方向夾角。

根據(jù)式（2）～（4）得夾緊力FNy：

以規(guī)格為20 英寸、材料牌號A365的輪轂加工為例。設定機床加工參數(shù)為:切深3 mm，轉(zhuǎn)速1 800 r/min，進給量0.5 mm/r，切削長度500 mm[8]。

刀具對工件的切削力由計算公式[8]得：

式中：CFc為由加工材料和切削條件決定的系數(shù)；vc為切削速度；KFc為修正系數(shù)。其中vc=3.14dn/1 000=3 445.46 m/min。

σb為加工材料抗拉強度。經(jīng)過查詢公式相關參數(shù)[8]，代入式（6）和（7）得：

刀具對工件中心的切削力矩為:

式中：R為輪轂半徑,取值為254 mm。

為使工件在加工過程中，保持正確位置不發(fā)生偏移。則需要卡爪對工件產(chǎn)生的摩擦力矩大于或等于刀具對工件的切削力矩。則

式中：μ為卡爪與工件輪緣間的摩擦系數(shù)；D為摩擦力作用點到工件中心的距離。

根據(jù)式（5）、（8）和（9）推導出保證工件夾緊可靠，所需氣缸推力為：

2.3.3 潤滑方式

加工單元中采用的潤滑方式為微量潤滑。機床中使用上海金兆節(jié)能科技有限公司生產(chǎn)的外掛式微量潤滑裝置。如圖13 所示為其結構原理圖。采用微量潤滑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的澆注式潤滑，既可以降低生產(chǎn)成本，又可以減少環(huán)境污染[9]。

圖13 微量潤滑裝置

3 生產(chǎn)線生產(chǎn)效率對比

以汽車輪轂生產(chǎn)線的平均生產(chǎn)節(jié)拍為論述對象，比較兩種生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

為了方便對比，對數(shù)據(jù)進行如下處理。Ti在兩步粗車，兩步半精車和精車工序中取粗車工序生產(chǎn)時間的平均值以及半精車和精車工序生產(chǎn)時間的平均值。忽略產(chǎn)線機床性能問題帶來加工時間的變化。

3.1 自動化生產(chǎn)線的平均生產(chǎn)節(jié)拍[3]

式中：ri為自動化產(chǎn)線平均生產(chǎn)節(jié)拍；n 為加工單元數(shù)；x為機械手單次抓取工件數(shù)；為平均行走時間；ti為機械手平均上下料時間；Ti為自動化生產(chǎn)線各工序生產(chǎn)時間。

以包含單個加工單元的自動化生產(chǎn)線為例進行計算。則n取值為1；x取值為1；由于使用定點式抓取，取值為0；ti的取值與機械手的精度以及規(guī)格有關，參照同類型生產(chǎn)線中六軸關節(jié)機器人的規(guī)格，ti取值約為24 s，Ti取值約為87 s。

則根據(jù)公式（11）可得：ri=111。

隨著自動化生產(chǎn)線中加工單元數(shù)量的提升，其生產(chǎn)節(jié)拍會進一步降低，生產(chǎn)效率還可以得到進一步提升。

3.2 傳統(tǒng)加工過程中平均生產(chǎn)節(jié)拍

傳統(tǒng)加工過程比自動化生產(chǎn)線耗時更多體現(xiàn)在，各車削加工需要在兩臺車床上完成，各工序之間需要進行重復的搬運、拆卸和裝夾。推算傳統(tǒng)加工平均生產(chǎn)節(jié)拍:

則根據(jù)式（12）和（13）可得：

3.3 生產(chǎn)線性能的提升

以平均生產(chǎn)節(jié)拍為指標，計算生產(chǎn)效率的提高：

表2 是以單個加工單元的自動化生產(chǎn)線為例，對自動化生產(chǎn)線和傳統(tǒng)加工過程中各項參數(shù)進行對比。

表2 自動化生產(chǎn)線與傳統(tǒng)加工性能對比

4 結語

針對汽車輪轂生產(chǎn)線的技術難點，對生產(chǎn)線進行優(yōu)化設計，得到以下結論：

（1）軸向吸盤夾持爪實現(xiàn)機械手回轉(zhuǎn)空間的縮小；定點式抓取配合高空間利用率的回轉(zhuǎn)式料架實現(xiàn)工件上下料動作的簡化和次品的及時剔除。串聯(lián)布局的輥道結合機械手和料架構成生產(chǎn)線的上下料系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線中工件的精準高效輸運。

（2）根據(jù)實際生產(chǎn)需要，優(yōu)化輪轂加工工藝，設計配合使用的外夾式、內(nèi)撐式夾具，保證了輪轂正反面加工的連續(xù)性，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線中工件性能的提升。

（3）通過機構分析論述夾具定位夾緊可靠的同時，進行車削力的計算和夾緊力的設計。驗證了自動化生產(chǎn)線加工質(zhì)量可以保證。

（4）采用平均生產(chǎn)節(jié)拍為效率衡量指標，結果表明自動化生產(chǎn)線較傳統(tǒng)加工生產(chǎn)效率提高22%以上。