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加工中心/FMS |
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柔性制造系统在发动机生产中的应用 |
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作者：奇瑞汽车股份有限公司 杨厚忠 来源：AI汽车制造业 |
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当前，车型的市场寿命周期越来越短，小批量、多品种生产成为各大汽车厂商的追求目标。与此相适应，发动机的生产制造模式也必须适应多品种、不同批量的市场需求。由于市场需求的多样性，产品更新换代的周期加快，促使许多发动机企业先后引进了以加工中心为主体的柔性生产线——柔性制造系统（FMS）。它能够根据制造任务和生产环境变化迅速进行调整，适应多品种、中小批量的生产需求。
奇瑞公司的发动机二厂是根据汽车制造业多品种、柔性化生产的需求而建造的一个具有国际领先水平的现代化柔性工厂。该工厂在产品设计时就采用同步工程并充分预留后期产品的共用性，以便根据市场及产品需求，在生产线上共线生产多个品种。
图1 柔性制造系统
下面以该厂为例，介绍柔性生产在箱体和轴类生产中的应用及实际使用中所需考虑的问题。
柔性生产线
一般柔性制造系统由以下组成部分： 2台以上数控加工设备或加工中心及相应的辅助设备；自动装卸的运储系统；套计算机控制系统。
奇瑞发动机箱体类零件的主要加工部分均是由数十台全柔性加工中心组成，几个加工中心组成一个工岛——柔性制造单元（FMC）。各个柔性制造单元之间均通过自动辊道或机械手连接起来，其中还包括所必需的清洗、压装、试漏、珩磨、在线测量、线外测量设备以及切削液集中处理装置等。辅助设备一般采用通过式辊道输送上料，并通过型号识别，选择相应的工位及试漏、拧紧程序。在柔性制造单元内，由全自动机械手进行上下料，整线设有数个机械手。在生产线的自动辊道上，设置有产品型号自动识别装置，机械手、辊道及加工中心通过Profibus总线连接起来，由一套西门子数控系统自动控制各部分的一致性。同时，控制计算机还能根据各机床的加工情况，选择最优的上下料顺序，并根据设定的范围，将需要抽检的工件自动放入检测站。
图2 柔性制造单元
每个FMC中都由几道工序组成，每道工序分别由多台相同型号的加工中心组成。每个FMC前面是上料辊道，后面是下料辊道及检测站。各个FMC之间也是相应的辊道，可以起到工件暂存作用。
加工中心是FMC最核心的部分，FMC中的加工中心采用大容量刀库的自动换刀系统，可以满足多品种生产所需的快速换刀及刀具存储需求。系统具有刀具寿命管理、激光刀具折断检测和ARTIS扭矩监控等丰富的刀具监控管理功能，使得设备的自动化及可靠性得到有效充分的保证。
奇瑞发动机二厂的轴类生产线也是由高精度加工中心、CNC自动车床和全自动磨，以及抛光、清洗及检测等各个制造单元FMC所组成的柔性制造系统FMS。
举例来说，凸轮轴生产线内的机床选用了Siemens 840D、FANUC18i这些目前顶尖的系统来实现FMS的自动控制；通过奇瑞的技术人员与机床、控制系统开发商的共同研究，在原有平台上新扩展和开发了多种控制功能和软件。例如端面加工单元，其控制系统为Siemens 840D，为了配合多品种生产所需的大容量刀具存储单元以及高速切削中的刀具寿命管理，Siemens数控系统中增加了ARTIS刀具检测软件，在切削过程中检测主轴电机扭矩的变化，通过仿真及对比来监控刀具状态，确保加工的可靠性及稳定性。同时，生产线的自动控制系统还扩展了主动检测功能，在切削过程中实时对加工尺寸进行检测，并将数据反馈至控制系统，随机修正切削参数，以保证加工精度。
运储技术直接关系到FMS的自动化程度以及可靠性，影响生产线的物流、开通率及品种切换周期等。轴类生产线利用高速龙门式机械手以及带工件识别功能的中转料仓组成了生产线的运储系统，机械手在X轴的运行速度可达120m/min，同时能够根据各个加工单元发送的上料信号，在控制系统中通过高速、高精度的计算，在0.01s内确定出最优化路径的上料次序，保证生产线的加工节拍。
凸轮轴生产线的运储系统还考虑到高湿环境以及地区地基的特点，增加了温度的自动补偿以及地基下沉补偿功能。系统能够周期性地检测外界环境的变化以及自身精度的差异，通过系统中模块化软件的计算，进行自我诊断及补偿，减少定位偏差。
凸轮轴生产线能够共线加工多种型号的凸轮轴，加工范围覆盖了长度范围300～600mm的三缸/四缸汽/柴油发动机用凸轮轴，可以说建立这样一条柔性生产线，相当于建立了7条以上的传统凸轮轴线，其意义已不仅是一个柔性制造系统，而是一个凸轮轴制造集中厂。
FMS的主要特点是能够实现多品种共线生产，同时各品种之间的切换能够快速且较为简单的完成。此生产线通过寻找及对比多型号轴共同的定位及装夹基准，来实现最为便捷的换型。
图3 凸轮轴生产线
柔性加工案例
根据市场需求，奇瑞公司2006年开发了新的铸铁发动机，为缩短投产周期，公司决定在原有铸铝缸体线上进行共线生产。通过产品的对比分析，我们对机械手的夹爪、夹具的定位销及夹爪进行了调整和更换，同时，增加相应的刀具，修改加工程序和机械手的输送控制程序，扩展工件型号装置。控制方面，我们在机床操作界面上对加工类型的选择进行了扩展，在机械手系统上增加了钥匙开关选择加工类型。在生产换型中，切换机床上的NC程序选择1.6L、1.8L或者2.0L的产品程序，并在机械手上选择相应的铸铁或铸铝工件，控制系统会自动控制型号识别装置放行相应的工件，机械手自动调用上下料程序，并自动调整上下料位置，机床则根据程序进行加工。整个单元的一致性由机械手的控制系统进行协调控制。由于生产线采用的是3个相对独立的柔性制造单元，因此，可以一个单元一个单元的换型，即当第二、第三加工单元还在加工铝缸体时，第一加工单元已经进行了铸铁缸体的生产。
奇瑞公司的72系列发动机是装载在QQ系列车型上的一款自主研发的发动机，2005年，随着QQ的热销，为补充72系列发动机产能，我们在发动机厂的481缸盖线上抽出部分加工中心来加工72系列产品。由于两个产品差异较大，因此我们采用了更换夹具的方式，将372的夹具安装在481加工中心的托盘上，把372设备原有的数控加工程序直接拷贝过来，即可快速投入生产。
除了能共线生产同类型的产品，还可利用自制组合夹具在箱体类个别工序能力富余的设备上进行进气管的加工。组装夹具和程序编制同时进行，只用了2天时间，就完成了进气管设备的调试。生产结束后，拆下组合夹具，重新装上缸盖的夹具，设备又立即恢复了正常的加工。
利用加工中心的柔性特点，对于已经定型的产品来说，多个品种在一条线上生产优势更为明显。奇瑞公司新建的一条缸盖线可共线加工数个品种，包含汽油机和柴油机。由于这些产品都已基本定型，因此夹具和上料系统可以进行通用设计，刀具的设计也充分考虑多品种共用，以便节约成本并减少换刀时间。由于输送辊道及上料装置上设置了型号识别，夹具上也进行了防错设计，机床已经具备了混流生产能力。
此外，产品切换也是多品种共线的关键部分。以轴类品种切换为例，首先，操作者在产品切换的界面中选定将要切换的型号，系统会提取事前输入在系统中此型号对应的换型内容，提示及监控整个换型过程；运储系统中机械手的夹爪为伺服电机控制，由自动化控制系统发出指令，夹爪自动调整到位，同时机械手会返回完成信号至控制系统；机械手上还具备诊断开关，对位置进行判断，如发现调整不到位，会立即反馈至控制系统，发出报警，由操作者根据报警提示信息进行下一步的操作；机床的夹具部分可通过伺服系统在几秒内自动调整到位，部分辅件需要人工进行调整或更换。生产线各制造单元，对于人工更换的部分均配备了机械辅助模块及接近开关判断，以保证换型的快捷和准确无误。例如，生产线上的凸轮磨床，磨床在不同品种切换时，需要更换卡盘顶尖以及中心架的位置，在机床一侧配备一个工具台，工具台内放置不同型号凸轮轴所对应的工装。每套不同型号的工装都通过信号开关与操作系统相连接，由操作系统进行监控，如操作者忘记更换相应的顶尖，系统将提示并报警。只有所有相应的工装全部拿出去并安装在机床内部，同时原机床内部被更换下的工装放回工具台内，系统经过判断后才能确定换型完成，发出可以继续加工的指令。
生产线通过自动控制及在自动控制系统监控下的人工调整来实现品种间的切换，生产线的品种切换可在15min内完成，保证了FMS的高柔性化、高效率。
FMS应用的注意事项
FMS的使用对产品设计、工艺规划及生产组织提出了更高的要求。根据使用经验，以下几点应引起注意：
1. 根据产品系列特点，决定是否选择及选择何种程度的柔性制造系统。当生产纲领比较大（超过30万），后续系列产品较少且产品比较稳定时，不太合适选择柔性系统。
2. 根据产品工艺特点，确定加工单元的分布，并选择合适的物流运输储备方式。
3. 生产线产品差别较大时，为减少夹具更换时间，应尽量采用备用托盘，更换时夹具和托盘一起更换，减少安装及调整时间。
4. 在生产线规划阶段，要明确后期加工产品的范围及材料，确定机床加工行程范围、功率扭矩等的选型。
5. 由于生产线产品较多，产品的型号识别及防错非常重要，产品设计及工艺规划时应考虑充分，否则会导致撞刀甚至损坏机床。
6. 柔性生产换型，主要是夹具和刀具及程序的更换。夹具主要考虑夹具的轮廓尺寸，机床和夹具液压油路的接口及控制；当批量小、品种较多时，可以考虑采用通用的组合夹具。刀具主要考虑刀柄接口形式，机床最大装刀直径及长度，合适的刀库容量。设备上应采用刀具寿命监控、备用刀具自动选择、刀具破损检测及刀具扭矩监控等装置。
7. 针对发动机制造来说，柔性系统除了加工，还要考虑其他辅助设备，如试漏、清洗等，可以采用随行夹具或多工位方式，通过型号识别，自动选择加工工位，实现柔性化。
8. 生产部门应合理组织生产，毕竟每次换型都会有加工效率的损失，包括首件检测等。尤其是在需要更换或调整的情况下，时间的损失及加工精度风险很大。
9. 由于后期产品扩充的需要，柔性制造系统的控制系统应选择通用的开放式数控系统，整条线的控制系统应尽量一致。
FMS的发展方向
目前，FMS的控制技术已经达到了较高的水平，集成化、标准化以及模块化程度日益提高，自动化控制系统制造商以及用户都根据实际运用不断开发出新的平台及控制软件。
FMS日后的发展重点在于对控制技术在生产线上的延伸，开发新的控制平台，通过仿真、模拟以及高位的计算，实现自学习、自维护功能；在日常加工过程中，自动控制系统能够自动检测其运行状态，自动调节相应的参数以达到最佳状态，从而具备自组织、自安排的能力，真正实现高速、高效和全自动的柔性制造单元。
FMS由于其产品适应性强、产品换型迅速和设备重用性高等特点，顺应了当前汽车行业产品多元化、产品生命周期短的特点和需求，其应用日趋广泛。另外，FMS还具有随机加工能力和故障容忍能力强及加工方式和生产纲领柔性强的特点，特别是生产纲领的柔性，使得生产规模可以分期逐步提升，降低了投资风险。
面对计算机技术、通信技术、检测技术及传感器技术的飞速发展，刀具芯片自动识别技术、模块化夹具及机床的广泛应用，以及市场多元化需求的增加，FMS正在发挥越来越大的作用。 (end)
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(12/6/2008) |
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