全自動(dòng)CNC鏜削活塞銷孔專機(jī)的研究開發(fā)

   摘要：所研制的全自動(dòng)CNC鏜削活塞銷孔專用機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)上、下料和自動(dòng)定位、夾緊，并且在一次安裝、不停機(jī)、不換工位的情況下，高效地完成活塞銷孔的鏜孔、鏜外口、切擋圈槽、倒內(nèi)角和倒外角。該機(jī)床已在上�；钊麖S投入生產(chǎn)，并取得了良好的加工效果。 
關(guān)鍵詞：精鏜；活塞銷孔；專用機(jī)床；CNC 
1前言 
活塞是轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件，活塞的質(zhì)量和產(chǎn)量直接影響轎車的質(zhì)量和產(chǎn)量。目前我國(guó)轎車工業(yè)發(fā)展非常迅速，以上海大眾桑塔納轎車發(fā)展為例，1994年生產(chǎn)綱領(lǐng)為年產(chǎn)10萬(wàn)輛，1995年為15萬(wàn)輛，1996年達(dá)20萬(wàn)輛，1997年達(dá)25萬(wàn)輛，到本世紀(jì)末將達(dá)50萬(wàn)輛。上海新建的SGM公司1998年底將推出新的中高檔轎車，這樣，活塞的需求量將更大。上�；钊麖S是一家能直接與轎車配套生產(chǎn)活塞的專業(yè)廠，為了與桑塔納轎車生產(chǎn)配套，該廠從80年代中期開始逐漸從國(guó)外引進(jìn)了1000多萬(wàn)美元的活塞加工關(guān)鍵專用工藝設(shè)備，組成了我國(guó)第一條轎車用活塞生產(chǎn)線，但其生產(chǎn)能力只能為年產(chǎn)10～20萬(wàn)桑塔納轎車配套服務(wù)。要與年產(chǎn)50萬(wàn)輛桑塔納轎車配套生產(chǎn)活塞，必須引進(jìn)上千萬(wàn)美元的關(guān)鍵設(shè)備，這是企業(yè)難以承受的。為了降低活塞制造成本，發(fā)展我國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)，研制活塞加工關(guān)鍵工藝設(shè)備勢(shì)在必行。為此，1994年上海活塞廠根據(jù)生產(chǎn)發(fā)展的需要，提出了引進(jìn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的設(shè)想。經(jīng)過(guò)半年多的調(diào)查研究，上海交通大學(xué)與上�；钊麖S在上海市重點(diǎn)辦、上海桑塔納轎車國(guó)產(chǎn)化辦公室、上海汽車工業(yè)集團(tuán)總公司、上海桑塔納轎車攻關(guān)項(xiàng)目辦公室的支持下，簽署了全自動(dòng)CNC鏜削活塞銷孔專用機(jī)床合作研究開發(fā)協(xié)議，并且由上海交通大學(xué)、上�；钊麖S以及有關(guān)機(jī)床廠組成了攻關(guān)隊(duì)伍，制定了詳細(xì)的研究計(jì)劃。經(jīng)過(guò)二年多的奮戰(zhàn)，全自動(dòng)CNC鏜削活塞銷孔專用機(jī)床終于研制完畢，并于1997年8月運(yùn)抵上�；钊麖S投入了生產(chǎn)。 
經(jīng)機(jī)械工業(yè)部機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心上海分中心的檢測(cè)和生產(chǎn)實(shí)際考核，該機(jī)性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠。并于1998年1月通過(guò)了機(jī)械工業(yè)部和上海汽車工業(yè)總公司聯(lián)合組織的鑒定。 
2被加工零件的要求 
鏜削活塞銷孔是活塞加工工藝流程中較復(fù)雜的一道工序，包括鏜孔、鏜外口，切擋圈槽、倒內(nèi)角和倒外角等五個(gè)部位的加工。圖1是被加工零件簡(jiǎn)圖。其材料為硅鋁合金，加工尺寸要求為：銷孔直徑為φ19.5+0.050mm、止口端面至銷孔內(nèi)圓面的距離為19.24±0．03mm，擋圈槽直徑為φ21.7+0.13-0.05mm、寬為1.6+0.10mm、槽底圓弧半徑為R0.8mm，外口直徑為φ22.2+0.40mm、圓弧半徑為R0.5mm，內(nèi)角圓弧半徑為R0.5mm、寬度為0.8+0.2-0.1mm，外角錐度為40°±10′，銷孔兩擋圈槽外部之間距離為60+0.20mm，兩外角之間距離為62.15±0．2mm，兩外口之間距離為65±0．2mm。位置度要求為：擋圈槽、外口、外角對(duì)活塞中心線的對(duì)稱度要求為0.2mm，兩內(nèi)角端面與銷孔中心線之間的垂直度要求為100∶0.8，擋圈槽相對(duì)銷孔中心線的徑向跳動(dòng)為0.1mm，銷孔中心線與活塞中心線不共面，其間距為1.2±0.75mm。所有這些加工要求是在一次安裝、不停機(jī)、不換工位的情況下，一次性地加工完畢來(lái)保證的。  

圖1被加工零件簡(jiǎn)圖 
3機(jī)床工作原理 

活塞加工的特點(diǎn)是批量大、加工精度要求高、生產(chǎn)節(jié)拍快、自動(dòng)化程度高、加工穩(wěn)定性要好。針對(duì)這些特點(diǎn)，本課題設(shè)計(jì)了如圖2所示的全自動(dòng)CNC鏜削活塞銷孔專用機(jī)床(圖中D氣缸和E氣缸帶動(dòng)的齒輪找正機(jī)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)O1處待加工活塞的后部，G和F氣缸分別對(duì)準(zhǔn)O2處待加工活塞的前部和后部)。整臺(tái)機(jī)床由床身、主軸系統(tǒng)、偏心機(jī)構(gòu)、刀排、自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)控與伺服系統(tǒng)等組成。下面分別介紹其自動(dòng)上下料和數(shù)控多刀雙偏心鏜削原理。  

圖2全自動(dòng)CNC鏜削活塞銷孔專用機(jī)床示意圖 

1.下料槽 2、3.伺服電機(jī) 4.主軸電機(jī) 5.主軸 6.偏心套 7.機(jī)械手 8.刀排 9.上料槽 10.控制臺(tái)
3.1全自動(dòng)上下料 

全自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)具有自動(dòng)檢測(cè)、故障診斷和報(bào)警功能，是實(shí)現(xiàn)大批量、快節(jié)拍和自動(dòng)化加工的關(guān)鍵。它可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、減少勞動(dòng)強(qiáng)度、保證加工精度的一致性和自動(dòng)化生產(chǎn)線的協(xié)調(diào)性。其工作過(guò)程如下：由上道工序(全自動(dòng)CNC精車活塞止口專用機(jī)床)自動(dòng)輸入的活塞儲(chǔ)存在上料槽9中，在壓緊缸A松開后，活塞自動(dòng)下滾，至擋料缸B擋住為止(擋料缸B和壓緊缸A之間的距離只能容納一只活塞)；隨后壓緊缸A恢復(fù)壓緊狀態(tài)，阻止后面的活塞下滾；接著擋料缸B松開，活塞滾入V型塊中，擋料缸B復(fù)位；之后，推料缸D推動(dòng)活塞進(jìn)入機(jī)械手7中；此時(shí)找正缸E轉(zhuǎn)動(dòng)活塞，進(jìn)行定向找正；找正后，D、E氣缸復(fù)位；然后上料缸C將機(jī)械手7推至定位元件止口座前端；頂緊缸G推動(dòng)活塞進(jìn)入止口座中，并頂緊；隨后上料缸C復(fù)位；接著開始加工。在加工的同時(shí)，A、B、D和E氣缸動(dòng)作，作上料準(zhǔn)備，這樣可以減少上料輔助時(shí)間。加工完畢后，頂緊氣缸G放松，卸料缸F推動(dòng)活塞從止口座中彈出，通過(guò)導(dǎo)向桿下滑卸料。 

以上動(dòng)作的協(xié)調(diào)都是通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)來(lái)完成的，而動(dòng)作的可靠性完全取決于氣動(dòng)系統(tǒng)的性能。 

3.2數(shù)控多刀雙偏心鏜削原理 

由于活塞是大批量生產(chǎn)，因而需要有高效的加工設(shè)備和合理的加工工藝。數(shù)控技術(shù)和在線檢測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效、柔性自動(dòng)化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。而工序的相對(duì)集中，則有利于減少工件安裝次數(shù)、避免安裝誤差、減少機(jī)床和工裝數(shù)量、減少占地面積和輔助時(shí)間，同時(shí)降低故障概率、提高加工精度。為此，本機(jī)床采用數(shù)控多刀雙偏心鏜削技術(shù)，在一次安裝、不換刀排、不停機(jī)、不換工位的情況下，實(shí)現(xiàn)了活塞銷孔、外口、環(huán)槽、內(nèi)外倒角的高效全自動(dòng)加工。 

如圖1所示，活塞銷孔分為左右二段，每段孔有五個(gè)加工部位，即外口、外倒角、銷孔、環(huán)槽和內(nèi)倒角。數(shù)控多刀雙偏心鏜削技術(shù)是在保證同軸度要求的前提下，采用數(shù)控技術(shù)和偏心機(jī)構(gòu)，控制兩個(gè)主軸頭同時(shí)進(jìn)行加工。每個(gè)主軸頭裝有一個(gè)刀排，每個(gè)刀排上裝了五把刀具，分別完成鏜孔、鏜外口、切擋圈槽、倒內(nèi)角和倒外角等五個(gè)部位的加工。其工作原理如圖2所示：主軸電機(jī)通過(guò)皮帶盤帶動(dòng)主軸連同偏心旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸、聯(lián)軸器、偏心套、偏心軸和刀排一起旋轉(zhuǎn)作主切削運(yùn)動(dòng)，偏心套中心線與主軸旋轉(zhuǎn)中心線之間有一偏心量e1，刀排安裝孔中心線與偏心軸中心線之間又有一偏心量e2，一般設(shè)計(jì)成e1＝e2。在初始位置時(shí)，刀排中心線與主軸旋轉(zhuǎn)中心線重合。當(dāng)偏心旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)偏心套中的偏心軸以及固定在其上的刀排旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，刀排中心線與主軸旋轉(zhuǎn)中心線之間的距離為e1＋e2。而當(dāng)?shù)杜欧祷氐?°時(shí)，刀排中心線與主軸旋轉(zhuǎn)中心線又重合。 

根據(jù)活塞的加工要求，在刀排對(duì)稱位置上分別裝有鏜孔刀、鏜外口刀和切槽、倒內(nèi)角、倒外角刀。首先，在刀排中心線與主軸旋轉(zhuǎn)中心線重合時(shí)鏜內(nèi)孔和鏜外口，鏜到尺寸后，伺服電機(jī)3帶動(dòng)偏心軸沿主軸旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，由于偏心作用，鏜孔刀和鏜外口刀沿徑向退刀，而其余三把刀(切槽刀、倒外角刀和倒內(nèi)角刀)則沿徑向進(jìn)刀，完成切擋圈槽、倒外角和倒內(nèi)角的工作。軸向進(jìn)給由伺服電機(jī)2帶動(dòng)滾珠絲杠副及直線導(dǎo)軌來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要完成鏜孔的進(jìn)給和主軸箱的快進(jìn)及快退動(dòng)作。這樣，在一次安裝、不換刀排、不停機(jī)、不換工位的情況下，實(shí)現(xiàn)了活塞銷孔五個(gè)部位的高效自動(dòng)加工。 

4機(jī)床控制系統(tǒng) 

全自動(dòng)CNC鏜削活塞銷孔專用機(jī)床的控制系統(tǒng)主要由數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)等組成。數(shù)控和伺服系統(tǒng)采用德國(guó)西門子公司的產(chǎn)品，由810M數(shù)控系統(tǒng)、611-AIRF驅(qū)動(dòng)電源、主軸電機(jī)、交流伺服進(jìn)給電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)模塊等組成。810M數(shù)控系統(tǒng)是用于銑削加工機(jī)床的緊湊型CNC控制系統(tǒng)，由CNC、PLC、操作面板、顯示器等組成。其中CNC是整臺(tái)機(jī)床的控制中心，可以通過(guò)它進(jìn)行數(shù)控編程。在加工過(guò)程中，CNC接收有關(guān)機(jī)床位置和狀態(tài)信息，同時(shí)根據(jù)需要發(fā)出各種指令控制機(jī)床完成預(yù)期動(dòng)作。PLC(可編程邏輯控制器)集成在CNC控制器內(nèi)部，它是CNC和機(jī)床之間的接口，擔(dān)負(fù)著它們之間的信息交換，控制機(jī)床從自動(dòng)上料、各種輔助動(dòng)作的執(zhí)行到自動(dòng)下料等動(dòng)作流程，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的順序控制。PLC使用STEP5語(yǔ)言編程，可用“語(yǔ)句表”、“控制系統(tǒng)流程圖”或“梯形圖”三種表達(dá)方法來(lái)編寫。主軸電機(jī)采用了西門子的雙速電機(jī)，通過(guò)Y-Δ切換來(lái)改變轉(zhuǎn)速，通過(guò)皮帶盤帶動(dòng)主軸連同偏心旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸、聯(lián)軸器、偏心套、偏心軸和刀排一起旋轉(zhuǎn)作主切削運(yùn)動(dòng)。四個(gè)伺服軸的驅(qū)動(dòng)采用了SIMODRIVE 611-A伺服驅(qū)動(dòng)模塊及其交流伺服電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)模塊主要根據(jù)CNC發(fā)出的信息控制左右鏜刀的同步直線進(jìn)給和偏心進(jìn)給。伺服電機(jī)內(nèi)裝有速度編碼器和位置編碼器，便于精確控制刀具的進(jìn)給。氣動(dòng)系統(tǒng)采用德國(guó)FESTO公司生產(chǎn)的閥、氣缸和傳感器等，由PLC統(tǒng)一管理，具有動(dòng)作可靠、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。 
5機(jī)床的主要特點(diǎn) 
(1)基準(zhǔn)統(tǒng)一，具有自動(dòng)定位和自動(dòng)壓緊功能�？梢栽谝淮伟惭b、不停機(jī)、不換刀排的情況下，高效、自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)活塞銷孔的鏜孔、鏜外口、切擋圈槽、倒內(nèi)角和倒外角等五個(gè)部位的加工�；鶞�(zhǔn)統(tǒng)一可以減少安裝次數(shù)、安裝誤差和安裝時(shí)間，節(jié)省工裝夾具和機(jī)床占地面積，同時(shí)減少故障概率，提高加工精度。 
(2)采用雙頭、雙偏心、多刀主軸系統(tǒng)和對(duì)稱伺服驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)工序的相對(duì)集中，提高機(jī)床加工精度。 
(3)具有自動(dòng)檢測(cè)、故障報(bào)警的全自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)。它是實(shí)現(xiàn)大批量、快節(jié)拍和自動(dòng)化加工的關(guān)鍵，可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、減少勞動(dòng)強(qiáng)度、保證加工精度的一致性和自動(dòng)化生產(chǎn)線的協(xié)調(diào)性。 
(4)具有高穩(wěn)定性與可靠性、操作容易、維修方便的氣動(dòng)、電氣和數(shù)控系統(tǒng)。如上所述，所有氣動(dòng)、電氣和數(shù)控系統(tǒng)的元器件都是目前國(guó)際上信譽(yù)良好的公司的產(chǎn)品。因而質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定、互換性好。 
整臺(tái)機(jī)床充分體現(xiàn)了機(jī)、電、氣、PLC控制技術(shù)以及數(shù)控技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是先進(jìn)制造技術(shù)的典型應(yīng)用。 
6結(jié)論 
上述專用機(jī)床實(shí)現(xiàn)活塞銷孔的全自動(dòng)化加工。在一次安裝、不停機(jī)、不換工位的情況下，從上料、加工到下料全自動(dòng)完成。該機(jī)床已在上�；钊麖S投入生產(chǎn)，而且已和上一臺(tái)全自動(dòng)CNC精車活塞止口專用機(jī)床連在一起，實(shí)現(xiàn)連線自動(dòng)化生產(chǎn)。經(jīng)機(jī)械工業(yè)部機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心上海分中心的檢測(cè)和實(shí)際生產(chǎn)考核，機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，加工節(jié)拍為：每只活塞加工時(shí)間少于20秒。 
參考文獻(xiàn) 
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