柔性制造系统在中高速柴油机机体生产中的应用研究

张艳飞

摘 要：以柴油机机体柔性制造系统加工应用为研究课题，对柔性制造技术涉及的设备选型、场地布局、在线检测、工艺设计、物料流转、质量控制等几方面进行了具体分析和研究。

关键词：柔性制造系统；柴油机机体；应用研究

随着铁路的快速发展，因不同种类货运对机车功率、速度的差异化需要，货运内燃机车多品种、小批量产品的需求愈来愈明显。作为内燃机车的核心，柴油机的可靠性是内燃机车性能综合优势的重点之一。因柴油机组装零件的产品精度及质量是柴油机整机稳定性的重要保障，为适应多批量、小品种的生产需求，确保产品质量及加工效率，采用适宜的柔性制造系统用于产品加工是将来机械产品加工的方向之一。在此笔者以柴油机机体为例对柔性制造系统应用进行了探索研究。

1.柔性制造系统概述

柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统（Flexible Manufacturing System），英文缩写FMS[1]。FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制，能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产，并能及时地进行生产产品转换以满足不同顾客需求。FMS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。通过制造资源的整合，柔性制造系统体现出设备利用率高、生产能力相对稳定、产品质量高、运行灵活和产品应变能力大的优点。

2.在机械制造业，柔性制造系统由以下基本组成部分

自动加工系统---以成组技术为基础，把结构尺寸、重量相似，材料相同，工艺相似的零件集中在一台或数台数控机床或专用机床等设备上加工的系统。

物流系统---由多种运输装置构成，如传送小车、轨道、转盘以及机械手等，完成工件、刀具等的供给与传送的系统，它是柔性制造系统主要的组成部分。

信息系统---对加工和运输过程中所需各种信息收集、处理、反馈，并通过电子计算机或其他控制装置（液压、气压装置等），对机床或运输设备实行分级控制的系统。本文所述的信息包括刀具管理信息、物料信息、生产组织信息及机床运转安全信息等。

软件系统---保证柔性制造系统用电子计算机进行有效管理的必不可少的组成部分。它包括设计、规划、生产控制和系统监督等软件。

笔者在此介绍的柔性制造系统，是将多台可以调整的机床（在本文中为龙门式加工中心、高速钻铣床以及三坐标测量机）联结起来，配以自动运送装置组成的生产线，该生产线可以加工批量较大的不同规格零件。

3.事业部机体柔性制造系统方案设计

在综合分析产品特点后，我们选择柔性制造系统方案，以龙门式加工中心为基础，配合在线检测设备---三坐标测量机进行在线数据监控，同时配置数控高速钻铣床用于平衡生产线之间工序负荷，以托盘自动交换系统为物料运输载体，通过刀具自动更换、机床故障诊断系统、自动加工、定位夹紧设计等方案，构成一套紧密的自动生产控制、执行系统，确保所加工机体的质量及效率。

4. 事业部机体柔性制造系统方案实施

机床设备选型方案：作为柴油机的核心关键件，机体对机床精度要求极高，公司所选配3台精加工机床重复定位精度全行程范围内小于0.006mm，旋转轴小于4秒，机床主轴功率大于60KW，机床各运动轴导轨为静压导轨，托盘规格2m×5m，数控系统选用Siemens840Dsl，机床可5轴联动（X、Y、Z、B、C），为降低机床配置价格，W轴（横梁）采用强力润滑导轨，作为定位轴使用，不参与切削。

基于整条生产线产能均衡考虑，公司在生产线上配备一台高速钻铣床，承担螺纹孔系的加工以及非重要安装面的精加工。该机床采用龙门式结构，主轴转速5000r/min，主轴扭矩1000N.m，铣削速度可达30000m/min，机床各轴加速度达到2m/m2。

系统定位方案：为解决托盘与机床工作台之间的定位问题，确保每次定位的一致性，通过选择圆销—菱形销的定位方式解决上述定位难题（设计时2销不在同一轴线上从而保证定位精度）。托盘由链式传送带送至工作台固定位置后，在液压装置推动下，托盘在夹紧下降的过程中，托盘上的定位孔嵌入机床工作台上的定位销处，实现定位夹紧。工件与夹具之间也采用类似定位方案。定位夹紧示意图如下：

测量基准方案：为做到加工与测量基准的一致，设计基准—曲轴孔与曲轴孔止推面--精加工完毕后重新进行Y＼Z向基准与X向基准测量，以加工后的设计基准加工其他特征。测量时加工机床与三坐标测量机均选择雷尼绍探针进行检测，二者均选取相同的测量基准，保证了测量基准的一致性。

在线检测方案：加工时为保障测量体系的精确性及准确性，对现场检测量具进行了Gage R&R;测试，即量具的重复性及可再现性测试。量具的重复性意即一个人使用同一量具重复测量同一特征的变化， 也称 “仪器变化” 或 “EV”。再现性表示两人或多人使用同一量具测量同一特征的变化， 也称“评价者变化”或“AV”。

实际测量时根据实际值与测量值之间的标准差，通过如下公式计算出测量系统总误差：

在机体生产线上的人工测量工具GR&R;在10%-30%之间，因三坐标测量机不存在再现性的问题，因此只做了重复性，即GR，该项%公差低于10%。

工艺方案：因机体对加工精度要求较高，加工工序多、生产制造流程长，为充分发挥设备产能，对机体生产制造流程进行了优化，粗加工时各面孔预留1.5mm余量，在该生产线上仅承担产品精加工，具体从轴承盖装配之前的精铣开始，直至机体上孔系的加工，具体流程如下：

物料组织：按照工序平衡设计以及精益生产原则，对工位耗时进行测算，按照机床负荷进行物料配送。该项工作可在柔性系统控制界面中做好物料传递指令，按设定时间间隔传递待加工件。为应对异常情况的发生，在该界面上也可转为手动操作，通过手动设置指令指示托盘运转。

质量控制：为做好产品加工在线质量控制工作，除人工检测外，由三坐标测量机担当工序之间的测量工作，根据机床设备的CPK计算，对关键重要尺寸进行100%检测，其余尺寸进行10%的抽测。通过在线检测的施行，可及时发现生产过程中的变异，很好的控制产品质量。所测量结果经过在线传输进入相应数据库，通过专业软件如MiniTab进行分析，便于质量工程师及时发现加工过程中尺寸的变异过程，进而采取措施防止异变过程的加剧。

5、结束语

在机械加工行业我国已经有多条以卧式加工中心为主建立的柔性制造系统并取得了较好的应用效果，但以龙门式加工中心为主要设备，采用交换系统方式加工大型柴油机零件还处于应用探索阶段，笔者在本文中结合实际需要，从机床选型、场地布局、物料运转、工艺定制以及在线检测、质量控制几方面进行了相关应用研究，希望能给读者一些启发。受限于现有知识面及应用经验不足，文中存在不足之处在所难免，恳请各位指正。

参考文献

[1]沈向东著.柔性制造技术.机械工业出版社，2013.04

[2]孙燕华著.先进制造技术.电子工业出版社，2012.07

[3]曹军著.多品种小批量机加工车间数字化制造模式及支持系统研究.[学位论文]，重庆大学，2012.05

[4]王连生著.精益生产与精益六西格玛实战.中国质检出版社， 2012.04

[5]林洪著.柔性制造技术综合实训.机械工业出版社，2012.10