軸類零件自動校直機研究現狀與展望

吳 琪 彭成博 顏 鵬 黃 波 萬宇星

（常州信息職業技術學院，常州 213164）

在汽車、紡織以及家電等行業中會大量用到軸類零件。軸類零件種類繁多，且不同零件加工工藝和熱處理不同。這些零件在加工制作過程中難免會出現彎曲變形，其中彎曲度是衡量軸類工件加工質量的重要技術指標[1]。常用的軸類零件有凸輪軸、農機軸、半軸以及汽車軸等。為了保證工件的后續加工和正常使用，需對彎曲的零件進行校直。軸類零件校直常用的方式有手工校直、機械式人工校直和自動校直[2]。手工校直工藝復雜，校直效率低，人工成本高，校直精度低[3]。機械式人工校直對操作人員的依賴性強，可靠性差。自動校直有液壓驅動和伺服電機驅動兩種，精度高，可靠性好，因此很多科研院所和企業致力于研發全自動校直機。目前，美國、日本、德國等已研發出檢測效率高、精度高、智能化的自動校直機，但價格和維護成本高昂?，F在國內校直機已經基本實現了檢測和校直的自動化，但是校直工裝調試由技術人員操作，達不到企業對校直工序的要求，且校直機成本高。國產校直機在測量精度、效率等方面仍需進一步提高。隨著機械加工技術、檢測技術、計算機技術以及人工智能的發展，校直機由自動化向智能化轉型是校直技術發展的必然趨勢。

1 軸類零件校直理論研究

1.1 軸類零件校直方法

校直是消除材料或制件彎曲的加工方法。根據校直的制件和場合的不同，校直方法主要有松弛-蠕變法、加熱校直、電液脈沖法和三點反彎校直[4]。軸類零件常用的校直方法是三點反彎校直。它是一種冷校直方法，對彎曲的軸類零件通過兩個支撐點和一個打擊點組合，加以反向彎曲，實現校直。1994年，崔甫教授最早提出三點彎冷校直工藝參數理論[2]。軸類零件校直工藝的研究包括支撐點和打擊點的選擇、校直行程量的計算和預測、校直工藝決策優化以及校直機控制系統的設計。

1.2 支撐點和打擊點的選擇

軸類零件的常見變形種類有單彎型、S型、多峰型和空間彎曲型。S型彎曲的校直工藝非常復雜，在加工過程中應盡量避免工件出現此類情況[5]。例如，杜宗順對單弧度彎曲變形和多弧度彎曲變形中支撐點和打擊點的選擇進行了探討。單弧度彎曲中，校直打擊點為彎曲變形最大點，支撐點對稱分布于打擊點兩側較合適。對于多弧度彎曲變形，通過布置多個支撐，可將多弧度分解成多個單弧度變形[6]。

1.3 校直行程的計算和預測

校直行程的計算方法常用的有基于彈塑性理論的計算、基于有限元的計算以及基于經驗公式的計算[7]。例如，翟華等人結合彈塑性力學理論和有限元法，提出了一種曲軸初始校直行程計算方法。陳明燈等人在校直行程預測中提出了一種改進模糊神經網絡模型，模型輸入為實時校直成功數據，模型輸出為校直行程，實際值與預測值相對誤差為1.65%，提高了校直行程預測精度和校直效率[4]。

1.4 校直工藝決策研究現狀

隨著人工智能的快速發展，許多學者將多種智能算法如遺傳算法、人工神經網絡、模糊控制等運用到校直理論研究中，選擇合理的生產工藝減小工件的彎曲變形。例如，杜宗順采用實例參數模型建立了一套智能化校直工藝決策流程，搭建工藝數據庫系統，提高了校直效率[2]。

2 軸類零件校直設備的研究及應用現狀

2.1 軸類零件校直設備的工作原理與構成

常用的軸類零件校直設備的組成有壓直單元、驅動單元、支撐單元、測量單元、控制單元和數據處理單元[8]。校直行程驅動方式主要有液壓驅動和電機驅動。液壓驅動系統容量較大，輸出力大，但控制精度低。伺服電機驅動的校直機動態響應快，定位精度高，但成本較高[9]。校直設備工件徑向跳動測量方式有接觸測量和非接觸式測量。接觸測量方式采用微位移測量傳感器。非接觸式測量可使用激光位移傳感器檢測零件的撓度。自動校直機能夠實現自動上下料、自動裝夾、自動旋轉測量以及自動校直。有的自動校直機還可自動檢測裂紋。

國產自動校直機控制系統的硬件組成通常有兩大類。一方面，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為控制核心，觸摸屏顯示工作狀態，優點是系統性能可靠性好，但難以用于多品種、多通道的檢測與校直。另一方面，使用工控機、數據采集卡以及PLC等設備共同工作，可以實現多通道的高速數據采集和較復雜的校直決策[10]。

2.2 軸類零件校直設備的主要類型

常用的校直設備有手動螺旋式壓力機、通用型的壓力機、液壓壓力校直機、全自動精密校直液壓機和自動校直機[11]。傳統校直工藝在校直工裝安裝完成后，通過手動方式將壓頭移動到工件上方慢慢增加行程，直至對應的支撐受力。將這個行程坐標值作為基本的校直行程，然后每次打擊增加一個固定的增量實現校直。

自動校直機從主機結構上可分為C型校直機和門型校直機[12]，外形如圖1所示。C型校直機結構簡單，占地面積較小，適用于超長工件和大噸位產品。門型校直機主機采用封閉式框架結構，校直效率高，定位誤差小，適用于較小工件和小噸位產品的校直。

圖1 軸類零件校直機典型結構

2.3 自動校直設備的研發現狀

于曉平設計了一款全自動校直機，采用C型框架，可實現軸的自動上下料。目前，設備已應用于中國第一汽車集團公司熱處理分廠，用于柴油車變速箱二軸的校直。工件初始彎曲量小于0.5 mm，經校直后彎曲量小于0.05 mm，能實現4點測量和校正[7]。

丁蘇赤等人設計了一種基于S7-1200 PLC的自動校直機控制系統。工控機裝有數據采集卡，帶有Access數據庫，能存儲大量不同工件的校直參數。它使用液壓驅動方式，適用于小批量、多品種工件的校直[5]。

魏東坡等人研制了一臺小型軸類零件智能校直機，由機架、PLC、計算機、電動缸、傳感器、壓頭以及浮動工作平臺等組成，使用激光位移傳感器檢測零件的撓度，使用迭代補償校直算法實現了零件的連續檢測和校直，具有較高的校直效率和校直精度[8]。

2.4 自動校直設備的應用現狀

很多企業也著力于研發軸類零件校直設備，比較典型的有中機試驗裝備股份有限公司設計的傳動軸自動校直機，如圖2所示。該校直機使用門型框架，具備自動檢測、校直、智能化自學習以及遠程診斷等功能[13-15]。例如，FJJMS2053-10校直機測量精度為0.001 mm，最大校直精度為0.1 mm。

圖2 傳動軸自動校直機

深圳信儀測控技術有限公司生產的SSM-500-3-10汽車軸校直機使用3D線激光傳感器，對產品進行三維掃描和數據重建，采用非接觸式測量獲取產品彎曲度和扭曲度，實現了柔性化和智能化校直，如圖3所示[16]。

圖3 汽車軸校直機

3 結語

根據已有文獻和校直設備的研究及應用情況，目前國內軸類零件校直機存在的問題主要體現在兩個方面：一方面是由于零件的尺寸、材料不同，仍需要人工進行工裝調試；另一方面是故障檢測和遠程監控功能還不完善。對于校直機的未來發展，需要提高校直機的精度、可靠性，降低校直設備成本。充分利用人工智能技術和關鍵參數強大的自學習功能，優化校直工藝決策，可解決校直機可校直的產品種類和尺寸在不斷增多的問題，實現智能化校直。此外，校直設備也將在故障診斷與處理能力方面進一步發展。