MES對接下重卡輸入軸智能化減材製造

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MES對接下重卡輸入軸智能化減材製造
1 用戶要求
        目標零件為MCY13、MCY11及AC16係列驅動橋用輸入軸，主要內容“軸坯取料→車削外圓麵及端麵（05工序）→調頭車削外圓麵及端麵（10工序）→滾切花鍵軸Ⅲ（15工序）→滾切花鍵軸Ⅱ（20工序）→滾切花鍵軸Ⅰ（25工序）→成品出料”，毛坯重量不超20kg，材料為42CrMo及SAE4340H，硬度HRC35～40，相似產品有6種。先前，逐件手工測量，人工補償刀具數據；人工裝卸產品，員工腰肌勞損嚴重；單班用工5人，節拍達6min；中間滑道輸送物料，作業空間狹小；油漆筆標記產品類型，常規格錯亂廢件。在投建輸入軸智能化生產線後，相似產品可快速拓展，節拍不超4min，過程產品智能識別糾錯，加工環境可智能監控，零件自動裝卸，各項尺寸自動測量，機床狀態可實時數據顯示，質量數據直觀呈現，單班1人4小時無幹涉連續作業等。
2 工藝方案
        毛坯為鍛件的中橋輸入軸應先選擇其前、後支承軸頸（或近端的外圓表麵）作為粗基準，進行兩端麵上A型中心孔的粗、精銑加工；隨後用A型中心孔定位，進行毛坯的粗車削加工，以獲得輸入軸軸坯。後續加工方案則以軸坯兩端麵的A型中心孔定位，實施車削和滾切任務的智能化減材加工。
2.1 數字化方案
        軸坯先在2台FCL-300型數控臥式車床上，依次完成05、10工序外圓麵及端麵的數字化車削，各自節拍3min/件。隨後在6台YKX3132M型數控滾齒機上，每2台為一組，依次進行15、20和25工序中花鍵軸Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ的數字化滾切，節拍6min/件。10工序結束，采用1台全自動測量機，對輸入軸進行機外綜合尺寸全項測量，SPC分析後生成Xbar-R、X-MR等圖表。表1為AC16中橋輸入軸05、10工序的工步內容。
2.2 自動化方案
        在基於S7-1500plc和WinCC人機界麵的自動化方麵，采用2台ABB IRB6700-155型關節機器人（稱RT）、雄克氣動雙手爪及22m長的齒輪齒條式地軌，實現輸入軸的“取料→傳送料→裝卸料→落料”任務；采用1台泰尼福XF510Cp微衝點陣氣動打標機，完成通聯條碼（二維碼＋明碼）的打標作業；成品出料前，RT抓件在康耐視DataMan 262X固定式圖像讀碼器處識別完工；開設抽檢出料門和抽檢平台，RT抓件向徑向跳動測量儀裝/卸料。


圖1為輸入軸智能化生產線的平麵布局。
       在1號RT的任務流程中，視覺對中的RT自上料托盤抓取毛坯，放入二次定位台，識別並重新抓取；快移至打標機處打碼，經讀碼器讀碼，表示工件上線；RT抓件旋轉移至05工序車床處，打開車床防護門後，卸下車削完的工件並裝入待加工件，關門循環加工；抓件移至10工序車床處，重複05工序動作；RT抓件移至全自動測量機處，檢測長度、外徑及幾何精度。此時，若15工序1（下稱151）滾切已結束，則RT抓著檢測合格的工件快移至151滾齒機處，卸下滾切完的工件並裝入待滾切件，卸下的工件放於緩存及姿態轉換台的1號位；若151滾切未結束，則RT抓著已檢測工件快移至緩存及姿態轉換台的2/3號位。隨後，RT進入下一工作循環。
        在2號RT的任務流程中，未經151滾切的目標件，則由RT自緩存及姿態轉換台的2、3號位抓取並快移至15工序2（下稱152）滾齒機處，卸下滾切完的工件並裝入待滾切件，卸下的工件放於緩存及姿態轉換台的4號位；變換姿態後，直接抓至20工序2滾齒機處，重複152動作；滾切完畢，RT將其卸至姿態轉換台上。已在151滾切完的工件，則由RT自緩存及姿態轉換台的1號位抓取並快移至20工序1滾齒機處，重複152動作；滾切完畢，卸至姿態轉換台上。RT抓取姿態轉換台上的目標件，送至25工序滾齒機進行加工；滾切完畢，RT抓取並送至讀碼器處掃碼，表示工件合格。隨後，視覺對中的RT將下線工件按程序路徑碼垛至成品托盤上，放滿後托盤自動退出至既定位置，等待用戶運走。碼垛完的RT進入下一工作循環。

2.3 信息化方案


圖2 基於Visual Studio環境的客戶端車間管控係統
        輸入軸智能化生產線涉及3個網絡，即生產網絡、公司網絡和監視網絡。在生產網絡內，總控製台PC先經工業以太網交換機和Profinet現場總線，鏈接2台內嵌有DSQC688適配器的RT、2台數控臥式車床、6台數控滾齒機、自動測量機、打標機、讀碼器等裝備；再用基於Visual Studio環境的客戶端車間管控係統（見圖2）協調車削、滾切、打標、讀碼、測量等工位之間的動作，完成RT的自動跟蹤監控和協調控製。在公司網絡內，總控製台PC與橋箱智造JMES係統連通，操作者憑用戶權限直接領取車間派發的指定工件的網絡化產線計劃。在監視網絡內，紅外攝像頭監視著RT裝/卸料與機床內卡具的幹涉實況，線尾及操作台側的小米電視機可視化地呈現著生產線運行工況。
2.4 實時化方案
        在2台RT的雄克氣動雙手爪上，均嵌裝IS7600視覺係統，經由交換機接入生產網絡內。視覺係統在給定目標件的當前位置信息後，立即反饋至SIMATIC S7-1500PLC，內部處理的邏輯信息送至RT；RT便根據坐標數據實時改變其運行軌跡，以完成輸入軸的抓取/鬆開動作與出料側的碼垛任務。此外，客戶端車間管控係統既會實時采集運行、狀態數據、曆史數據，完成數據庫搭建，將采集數據存入數據庫內，隨時生成任務報表；也會實時采集自動測量機全數檢測10工序完工的質量數據，在線計算出2台車床的刀具補償值（見圖3），遠程饋入車床的數控係統內，以做出下一工件車削的調整指令。


圖3 客戶端側05工序車床刀具補償數據（遠程）
2.5 安全化方案

        軸坯進料、成品出料均安裝佰闊捷C2000快速自動門，增裝檢測光幕保安全。在操作台側，安裝擴音器，以提高維修交流的分貝數。安全圍欄一開門，RT使能立即切斷。
輸入軸品種較多且相似性高，使得上料托盤內軸坯拾取的糾錯相當重要。為此，總控側的In-Sight視覺係統預先定義好目標輸入軸的特征點——軸端中心孔，待1號RT載著視覺係統對上料托盤內軸坯拍照識別後，視覺係統會進行兩張照片的對比，以判定是否為本批次零件。隨後，視覺對中的RT取件並將其放入二次定位台；定位台上的腳座安裝型行程可讀出氣缸CE1L32-100L-M9BL會推動軸坯，使之緊靠於固定擋塊，內裝型位移傳感器測出軸坯長度。符合長度規定的軸坯，允許進入生產線；不符合的，由RT抓取放入廢件傳送帶。
2.6 其他方案
        在環保方麵，6台滾齒機的花鍵滾刀經等離子體化學氣相沉積（PACVD）法，進行氮化鈦鋁塗層。滾切時，采取壓縮空氣吹屑降溫，以替代早先的滾齒油。
        在精益方麵，雙料架裝料至少56件；在總控製台PC側，操作者開線領料，完工結賬，對接JMES係統的生產計劃；據機外測量結果，實時在線補償車刀數據、修正滾齒機參數；客戶端車間管控係統開設產量統計、數據分析、設備狀態實時監控、生產工件上下線時間及所處工序等功能，同步運行的大屏幕實時顯示加工質量、當前產量、合格率等監視數據。
3 結束語
        在數字工廠的全業務流程中，產品工藝處於基礎與先導地位。精益穩定的智能化製造工藝，是解決現階段生產效率與質量一致的有效途徑。MCY13、MCY11及AC16係列驅動橋用輸入軸依托智能化生產線的建設，成功實現了智能化減材製造：質量更加穩定，班產效率提高50%，用工數量減少4人/班，信息孤島得到鏈接，海量數據得以采集共享。期間，采用了產品防錯、刀具壽命監測、機外在線刀具補償、產品自動化標記及數據采集分析等工藝手段，融入了全程數字化切削、全項自動測量、全麵數據提取、全域結果共享、全參數實時可視、全動作機器人化、全校正互聯網化、全決策於MES端、全工況圖形化等工藝方法。
        目前，輸入軸智能化生產線建設項目已獲2020年山東省機械工業科學技術獎·二等獎。