MES对接下重卡输入轴智能化减材制造

1 用户要求

        目标零件为MCY13、MCY11及AC16系列驱动桥用输入轴，主要内容“轴坯取料→车削外圆面及端面（05工序）→调头车削外圆面及端面（10工序）→滚切花键轴Ⅲ（15工序）→滚切花键轴Ⅱ（20工序）→滚切花键轴Ⅰ（25工序）→成品出料”，毛坯重量不超20kg，材料为42CrMo及SAE4340H，硬度HRC35～40，相似产品有6种。先前，逐件手工测量，人工补偿刀具数据；人工装卸产品，员工腰肌劳损严重；单班用工5人，节拍达6min；中间滑道输送物料，作业空间狭小；油漆笔标记产品类型，常规格错乱废件。在投建输入轴智能化生产线后，相似产品可快速拓展，节拍不超4min，过程产品智能识别纠错，加工环境可智能监控，零件自动装卸，各项尺寸自动测量，机床状态可实时数据显示，质量数据直观呈现，单班1人4小时无干涉连续作业等。

2 工艺方案

        毛坯为锻件的中桥输入轴应先选择其前、后支承轴颈（或近端的外圆表面）作为粗基准，进行两端面上A型中心孔的粗、精铣加工；随后用A型中心孔定位，进行毛坯的粗车削加工，以获得输入轴轴坯。后续加工方案则以轴坯两端面的A型中心孔定位，实施车削和滚切任务的智能化减材加工。

2.1 数字化方案

        轴坯先在2台FCL-300型数控卧式车床上，依次完成05、10工序外圆面及端面的数字化车削，各自节拍3min/件。随后在6台YKX3132M型数控滚齿机上，每2台为一组，依次进行15、20和25工序中花键轴Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ的数字化滚切，节拍6min/件。10工序结束，采用1台全自动测量机，对输入轴进行机外综合尺寸全项测量，SPC分析后生成Xbar-R、X-MR等图表。表1为AC16中桥输入轴05、10工序的工步内容。

2.2 自动化方案

        在基于S7-1500PLC和WinCC人机界面的自动化方面，采用2台ABB IRB6700-155型关节机器人（称RT）、雄克气动双手爪及22m长的齿轮齿条式地轨，实现输入轴的“取料→传送料→装卸料→落料”任务；采用1台泰尼福XF510Cp微冲点阵气动打标机，完成通联条码（二维码＋明码）的打标作业；成品出料前，RT抓件在康耐视DataMan 262X固定式图像读码器处识别完工；开设抽检出料门和抽检平台，RT抓件向径向跳动测量仪装/卸料。

图1为输入轴智能化生产线的平面布局。

       在1号RT的任务流程中，视觉对中的RT自上料托盘抓取毛坯，放入二次定位台，识别并重新抓取；快移至打标机处打码，经读码器读码，表示工件上线；RT抓件旋转移至05工序车床处，打开车床防护门后，卸下车削完的工件并装入待加工件，关门循环加工；抓件移至10工序车床处，重复05工序动作；RT抓件移至全自动测量机处，检测长度、外径及几何精度。此时，若15工序1（下称151）滚切已结束，则RT抓着检测合格的工件快移至151滚齿机处，卸下滚切完的工件并装入待滚切件，卸下的工件放于缓存及姿态转换台的1号位；若151滚切未结束，则RT抓着已检测工件快移至缓存及姿态转换台的2/3号位。随后，RT进入下一工作循环。

        在2号RT的任务流程中，未经151滚切的目标件，则由RT自缓存及姿态转换台的2、3号位抓取并快移至15工序2（下称152）滚齿机处，卸下滚切完的工件并装入待滚切件，卸下的工件放于缓存及姿态转换台的4号位；变换姿态后，直接抓至20工序2滚齿机处，重复152动作；滚切完毕，RT将其卸至姿态转换台上。已在151滚切完的工件，则由RT自缓存及姿态转换台的1号位抓取并快移至20工序1滚齿机处，重复152动作；滚切完毕，卸至姿态转换台上。RT抓取姿态转换台上的目标件，送至25工序滚齿机进行加工；滚切完毕，RT抓取并送至读码器处扫码，表示工件合格。随后，视觉对中的RT将下线工件按程序路径码垛至成品托盘上，放满后托盘自动退出至既定位置，等待用户运走。码垛完的RT进入下一工作循环。

2.3 信息化方案

图2 基于Visual Studio环境的客户端车间管控系统

        输入轴智能化生产线涉及3个网络，即生产网络、公司网络和监视网络。在生产网络内，总控制台PC先经工业以太网交换机和Profinet现场总线，链接2台内嵌有DSQC688适配器的RT、2台数控卧式车床、6台数控滚齿机、自动测量机、打标机、读码器等装备；再用基于Visual Studio环境的客户端车间管控系统（见图2）协调车削、滚切、打标、读码、测量等工位之间的动作，完成RT的自动跟踪监控和协调控制。在公司网络内，总控制台PC与桥箱智造JMES系统连通，操作者凭用户权限直接领取车间派发的指定工件的网络化产线计划。在监视网络内，红外摄像头监视着RT装/卸料与机床内卡具的干涉实况，线尾及操作台侧的小米电视机可视化地呈现着生产线运行工况。

2.4 实时化方案

        在2台RT的雄克气动双手爪上，均嵌装IS7600视觉系统，经由交换机接入生产网络内。视觉系统在给定目标件的当前位置信息后，立即反馈至SIMATIC S7-1500PLC，内部处理的逻辑信息送至RT；RT便根据坐标数据实时改变其运行轨迹，以完成输入轴的抓取/松开动作与出料侧的码垛任务。此外，客户端车间管控系统既会实时采集运行、状态数据、历史数据，完成数据库搭建，将采集数据存入数据库内，随时生成任务报表；也会实时采集自动测量机全数检测10工序完工的质量数据，在线计算出2台车床的刀具补偿值（见图3），远程馈入车床的数控系统内，以做出下一工件车削的调整指令。

图3 客户端侧05工序车床刀具补偿数据（远程）

2.5 安全化方案

        轴坯进料、成品出料均安装佰阔捷C2000快速自动门，增装检测光幕保安全。在操作台侧，安装扩音器，以提高维修交流的分贝数。安全围栏一开门，RT使能立即切断。

输入轴品种较多且相似性高，使得上料托盘内轴坯拾取的纠错相当重要。为此，总控侧的In-Sight视觉系统预先定义好目标输入轴的特征点——轴端中心孔，待1号RT载着视觉系统对上料托盘内轴坯拍照识别后，视觉系统会进行两张照片的对比，以判定是否为本批次零件。随后，视觉对中的RT取件并将其放入二次定位台；定位台上的脚座安装型行程可读出气缸CE1L32-100L-M9BL会推动轴坯，使之紧靠于固定挡块，内装型位移传感器测出轴坯长度。符合长度规定的轴坯，允许进入生产线；不符合的，由RT抓取放入废件传送带。

2.6 其他方案

        在环保方面，6台滚齿机的花键滚刀经等离子体化学气相沉积（PACVD）法，进行氮化钛铝涂层。滚切时，采取压缩空气吹屑降温，以替代早先的滚齿油。

        在精益方面，双料架装料至少56件；在总控制台PC侧，操作者开线领料，完工结账，对接JMES系统的生产计划；据机外测量结果，实时在线补偿车刀数据、修正滚齿机参数；客户端车间管控系统开设产量统计、数据分析、设备状态实时监控、生产工件上下线时间及所处工序等功能，同步运行的大屏幕实时显示加工质量、当前产量、合格率等监视数据。

3 结束语

        在数字工厂的全业务流程中，产品工艺处于基础与先导地位。精益稳定的智能化制造工艺，是解决现阶段生产效率与质量一致的有效途径。MCY13、MCY11及AC16系列驱动桥用输入轴依托智能化生产线的建设，成功实现了智能化减材制造：质量更加稳定，班产效率提高50%，用工数量减少4人/班，信息孤岛得到链接，海量数据得以采集共享。期间，采用了产品防错、刀具寿命监测、机外在线刀具补偿、产品自动化标记及数据采集分析等工艺手段，融入了全程数字化切削、全项自动测量、全面数据提取、全域结果共享、全参数实时可视、全动作机器人化、全校正互联网化、全决策于MES端、全工况图形化等工艺方法。

        目前，输入轴智能化生产线建设项目已获2020年山东省机械工业科学技术奖·二等奖。