摘要:針對汽車輪轂生產(chǎn)線自動化程度低、工作環(huán)境差和加工精度要求高的現(xiàn)狀，設(shè)計了一條汽車輪轂潔凈加工生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線對輪轂的機加工工藝進行規(guī)劃，采用間隙配合的方式設(shè)計料架，并通過拆分裝置和運輸裝置對輪轂進行運輸 ; 夾具運用心軸定位的原理，通過連桿機構(gòu)帶動定位件實現(xiàn)自定位，使用曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)夾緊，增強輪轂在機床上加工的定位精度和夾緊可靠性 ; 采用微量潤滑的潤滑方式實現(xiàn)機械加工過程中的環(huán)保節(jié)能 ; 通過 RobotStodio 對具有雙夾緊工位的上下料機械手進行軌跡規(guī)劃。該生產(chǎn)線通過智能管理系統(tǒng)合理規(guī)劃和優(yōu)化輪轂生產(chǎn)線，為實際生產(chǎn)提供依據(jù)和借鑒。

    綠色發(fā)展是國際大趨勢。當前環(huán)境和資源問題成為人類的共同挑戰(zhàn)，針對如何實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展已達成共識，綠色制造無疑是工業(yè)升級轉(zhuǎn)型的必經(jīng)之路。發(fā)展綠色制造技術(shù)，有利于緩解當前環(huán)境資源約束問題，有利于新經(jīng)濟增長點快速培育，而且對加速經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、推動工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、新舊動能轉(zhuǎn)化及提升制造業(yè)國際競爭力具有深遠歷史意義。

    我國汽車行業(yè)不斷地發(fā)展，國內(nèi)汽車的銷量數(shù)次刷新全球記錄，一直位于世界第一的銷量水平。但在我國汽車行業(yè)迅速發(fā)展的同時，汽車輪轂傳統(tǒng)生產(chǎn)線在加工過程中大量使用礦物油切削液，造成了資源浪費、環(huán)境污染和危害操作人員健康等問題。據(jù)調(diào)查，一家中小型汽車輪轂生產(chǎn)廠家每年消耗的潤滑液高達 65 萬 t，用于潤滑液采購、廢液處理等方面造價高達 300 余萬元，且存在工作環(huán)境出現(xiàn)臟、亂、差等問題。因此，在改造生產(chǎn)線實現(xiàn)自動化的同時，必須保證汽車輪轂的潔凈生產(chǎn)，使?jié)崈羯a(chǎn)與自動化生產(chǎn)完美結(jié)合是未來生產(chǎn)的必由之路。

    隨著國際社會對綠色制造的支持，綠色冷卻潤滑方式也得到了發(fā)展，干式加工在機械加工中的成功應(yīng)用為綠色加工開啟了新的道路，但由于缺少切削液的直接潤滑，導(dǎo)致想要達到與澆注式潤滑相同的加工質(zhì)量就必須保證刀具的韌性、硬度和耐磨性，這使得干式加工受到刀具限制，且加工過程中由于沒有介質(zhì)參與，排屑和換熱性能不足，不可避免地造成工件表面出現(xiàn)燒傷情況。

    隨著學者們的深入研究，提出了低溫冷卻技術(shù)。低溫冷卻技術(shù)是將低溫氣體介質(zhì)噴射到切削區(qū)對切削區(qū)進行降溫，起到冷卻作用，達到加工要求。學者們進行大量試驗探究低溫冷卻技術(shù)在車削、銑削等多種加工形式中的冷卻效果。試驗表明，低溫冷卻潤滑得到的工件質(zhì)量、刀具壽命和潤滑性能均優(yōu)于干式切削，但與澆注式潤滑相比，成本相差無幾，且可能導(dǎo)致加工過程中氧氣含量降低引起工人窒息，與綠色發(fā)展、保證人體健康沖突，需進一步發(fā)展研究。繼干式切削之后，提出了介于澆注式切削與干式切削的微量潤滑技術(shù)，最小限度地使用切削液，保證加工質(zhì)量。微量潤滑技術(shù)是在高壓氣體中加入微量潤滑油，借助高壓氣流，將微量潤滑油霧化后注入高速切削區(qū)，進行冷卻潤滑和切屑排出。微量潤滑油采用具有極好的生物降解性能的植物油作為基礎(chǔ)油，極大地改善了工作環(huán)境，降低了對環(huán)境的污染，保證了工件加工質(zhì)量。將靜電場等多能場耦合到加工過程中會起到更好的潤滑效果。因此，將微量潤滑結(jié)合到生產(chǎn)線之中已成為必然選擇。

    由于傳統(tǒng)生產(chǎn)線存在自動化不足的問題，而自動化不足也限制了潤滑工況的改善，無法達到微量潤滑與生產(chǎn)要素同步的要求，因此需對生產(chǎn)線整體進行改進。隨著汽車銷量的增長，對輪轂的生產(chǎn)效率提出了進一步要求，增強生產(chǎn)線智能化也是行業(yè)發(fā)展的必然選擇。而汽車輪轂作為汽車的重要零部件，其精度、圓度和同軸度對汽車使用壽命、行車穩(wěn)定性和駕駛員的安全有著重大影響。因此，生產(chǎn)線智能化的改造不僅需要提高生產(chǎn)效率，而且需要保證輪轂生產(chǎn)的質(zhì)量。但我國輪轂生產(chǎn)廠家規(guī)模不一，輪轂機加工大部分依舊采用人工配合機床加工完成生產(chǎn)，大量使用人力，造成生產(chǎn)效率低、成本高、產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，極大制約了輪轂行業(yè)的發(fā)展。部分生產(chǎn)廠家試進行智能自動化生產(chǎn)線改造，但國內(nèi)企業(yè)缺乏自己的核心技術(shù)，智能生產(chǎn)線成本較高，使得生產(chǎn)廠家無力更新設(shè)備。

    面對輪轂生產(chǎn)的需要，我國開始著手組建汽車輪轂的自動化加工生產(chǎn)線。汽車輪轂加工的柔性自動化生產(chǎn)線需實現(xiàn)多規(guī)格、多尺寸和變批量的輪轂生產(chǎn)，滿足輪轂上下料、粗加工、半精加工、精加工及鉆孔等方面的加工自動化流水作業(yè)。由于輪轂加工的多樣性，眾多學者對輪轂加工過程進行了研究。傳統(tǒng)的輪轂加工需更換不同工裝設(shè)備來完成不同類型輪轂的加工，降低了生產(chǎn)效率，增加了成本，面對輪轂多規(guī)格、多尺寸的生產(chǎn)模式，對輪轂夾具進行改進是自動化柔性生產(chǎn)加工的大勢所趨，劉德偉對輪轂柔性夾具進行了設(shè)計與分析，通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動連桿實現(xiàn)不同半徑輪轂的夾緊，并對夾具進行夾緊力和定位誤差分析。梁盈富等對汽車輪轂生產(chǎn)線中智能制造系統(tǒng)總體框架進行了設(shè)計，將 MES 系統(tǒng)和 PLC 技術(shù)與機床機器人相結(jié)合。輪轂自動化柔性生產(chǎn)線從柔性加工的夾具，到加工過程中的檢測，再到整條生產(chǎn)線與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，其智能化已經(jīng)得到長足的發(fā)展。

    綜上所述，生產(chǎn)線設(shè)計應(yīng)解決以下問題 : ①輪轂的種類繁多，規(guī)格尺寸不同，往往需要不同的加工設(shè)備來完成生產(chǎn)。②加工單元采用島式布局，各單元之間加工連續(xù)性不足。③澆注式潤滑工況在加工過程中飛濺的潤滑液會污染環(huán)境，影響工人健康。④上下料采用人工，使得成本增加、效率下降。汽車市場對輪轂的需求量巨大，以上問題亟待解決。因此設(shè)計了汽車輪轂潔凈加工生產(chǎn)線，實現(xiàn)輪轂的上下料、機加工的自動化作業(yè)，并加裝微量潤滑裝置來解決污染問題。

    汽車輪轂加工的柔性自動化生產(chǎn)線需實現(xiàn)多規(guī)格、多尺寸和變批量的輪轂生產(chǎn)，滿足輪轂的上下料、粗加工、半精加工、精加工及鉆孔等方面加工的自動化流水作業(yè)。將輪轂機加工分為 5道工序，其規(guī)程設(shè)計見表 1，汽車輪轂加工需進行粗車、半精車和精車加工，將車削分為4道工序，鉆孔在加工中心上進行，作為一道工序。

 

 

    從工藝流程出發(fā)，對上下料裝置、機床夾具和生產(chǎn)工況進行整體設(shè)計，設(shè)計出的輪轂潔凈生產(chǎn)線如圖 1 所示。由 4 臺立式車床和 1 臺加工中心完成輪轂 5 道工序的加工，5 臺機床成兩排布局，通過 3 臺上下料機械手完成機床與輥道、輥道與輥道之間的物料傳輸。5 臺機床和 3 臺機械手組成一個加工單元，車間可布置多個加工單元，通過上料裝置進行統(tǒng)一上料。國內(nèi)現(xiàn)有輪轂加工生產(chǎn)線多為人工搬運上料，既降低了生產(chǎn)效率，

 

 

1—拆分裝置　2—第一輥道　3—料架　4—輪轂定位裝置　5—輪轂　6—上下料機器人　7—出料輥道　8—機床　9—夾具　10—微量潤滑裝置　11—輪轂搬運機械手

 

 

    自定位裝置實現(xiàn)夾緊前的定位，為夾緊提高更好的定位精度，有利于減小重復(fù)定位誤差。以輪轂底平面為主要定位基準面，活動平臺限制輪轂 X、Y 軸轉(zhuǎn)動和 Z 軸移動，在氣缸的驅(qū)動下，通過連桿機構(gòu)帶動 3 個定位塊同時向外運動，限制輪轂的 X、Y 軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對輪轂的自定位 ;固定平臺與機床相連接，夾緊爪的移動由第一氣缸控制，第一氣缸通過曲柄滑塊機構(gòu)將垂直的驅(qū)動力轉(zhuǎn)換成水平的徑向力，夾緊爪在徑向力的作用下沿固定平臺徑向移動，對輪轂進行徑向夾緊 ;第二氣缸帶動活動平臺在 Z 軸移動，配合夾緊爪對輪轂進行軸向夾緊。

    在加工時，夾緊力既要保證不破壞工件，又要保證加工的正常進行。最小夾緊力為保證加工過程中汽車輪轂不因切削力發(fā)生位移偏轉(zhuǎn)的夾緊力。氣缸需對夾緊爪提供一個最小夾緊力保證加工的正常運行。加工時，夾緊爪與輪轂發(fā)生位置偏移，對輪轂產(chǎn)生的摩擦力，摩擦力與力偶相對，從而達到靜力平衡，靜力平衡條件為

    在《中國制造 2025》中提出了推動制造業(yè)朝智能、綠色、高端等創(chuàng)新驅(qū)動方向發(fā)展。綠色加工是國際大趨勢，在這種國際大趨勢的推動下，輪轂生產(chǎn)線從澆注式轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒘繚櫥降募庸すr成為必然。傳統(tǒng)的澆注式潤滑使用大量的礦物油切削液，污染環(huán)境、危害工人的健康且切削液的使用和處理費用昂貴，而微量潤滑使用的切削液為植物油基切削液，具有良好的降解能力。微量潤滑從澆注式的 60L/h 降至 30~00mL/h，不僅減少了浪費，而且加工效果有所上升。

    對生產(chǎn)線進行微量潤滑裝置的改造成為必然選擇，微量潤滑裝置結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，其懸掛式安裝在機床上，為輪轂加工提供微量潤滑工況。用微量潤滑裝置代替原有的澆注式潤滑裝置，并根據(jù)機床加工的主軸轉(zhuǎn)速對微量潤滑裝置的注油量進行調(diào)整，這樣既增強了潤滑效果，又降低了成本和污染。

 

 

 

 

    輪轂機械手搬運軌跡復(fù)雜，為避免機床與上下料機械手發(fā)生碰撞，對機械手進行軌跡規(guī)劃尤為重要。以第一立式機床和第二立式機床之間的物料搬運為例，上下料機器人需示教的點為 9個——1 個 pHome 點、1 個過渡點、3 個避障點、1 個定位裝置抓取點、1 個機床抓取點和 2 個機床放置點。機械臂通過偏移指令完成 3 個避障點之間的搬運，具體如圖 5 所示。上下料流程在階段 1~ 階段 6 之間循環(huán)，其中 pHome 點、過渡點和避障點之間采用關(guān)節(jié)插補運動，以空載最大運行速度 v 空載 max 和滿載最大運行速度 v 滿載 max 運行 ; 避障點和抓取點、放置點之間采用直線插補運動，以空載最小運行速度 v 空載 min 和滿載最小運行速度 v 滿載 min 運行。

 

 

    通過 Robotstodio 進行仿真，行動軌跡表明上下料機器人可以達到預(yù)期運行效果，以機器人代替人工搬運，提高了工作效率。通過 TCP 軌跡跟蹤，可判斷是否產(chǎn)生碰撞和干涉，節(jié)省實際調(diào)試時間避免意外。軟件運行后，輪轂在輥道和各個機床之間平均搬運時間為 27s，而在傳統(tǒng)車間中，輪轂和機床間的上下料通過人工完成，平均搬運時間約為 33s，上下料效率提高了

    根據(jù)我國對輪轂生產(chǎn)的重大需求，針對自動化輪轂生產(chǎn)線組建的迫切要求，設(shè)計了汽車輪轂潔凈加工生產(chǎn)線。通過對輪轂生產(chǎn)的加工工藝進行規(guī)劃，對輪轂生產(chǎn)線進行整體設(shè)計，將各個生產(chǎn)單元通過上料裝置實現(xiàn)并聯(lián) ; 對輪轂夾具進行設(shè)計，實現(xiàn)對輪轂的自定位和柔性夾緊，并提高了重復(fù)定位精度，為輪轂加工提供保障 ; 對加工機床進行改進，安裝微量潤滑裝置，可根據(jù)機床不同的轉(zhuǎn)速，對機床進行不同的供液，既可保證加工的精度與質(zhì)量，又能減少資源浪費。設(shè)計方案通過虛擬仿真，對系統(tǒng)運行軌跡做出規(guī)劃，模擬輪轂自動化生產(chǎn)過程，提高工作效率，為實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)，實現(xiàn)輪轂潔凈自動化加工。