单位文秘网 2021-07-04 08:08:39 点击: 次
摘 要:机电一体化技术是机械工程技术、微电子工程技术和信息工程技术的结合体,目前机电一体化技术体系已非常完善,随着机电一体化产品在国民经济各个领域中的不断应用,其市场容量不断扩大,价格越来越低,售后服务体系日趋完善,机电一体化技术和产品的应用已具有了很高的性价比,把机电一体化技术及产品应用到齿轮生产线改造中,对齿轮产品工艺提升,生产效率的提高,以及不良品率的降低有显著的效果。
关键词:机电技术 齿轮生产线改造 提高加工效率及加工精度稳定性
中图分类号:F284文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)12(b)-0217-02
随着我国汽车行业整车、部件和零件生产企业之间的分工协作日趋深化,对产品交货期限要求越来越高,协作企业间的精准交货,已成为考核长期供应商质量体系的主要指标。我公司作为东风商用车变速箱公司的长期供货商,历时15年的协作,生产工艺也不断完善,随着交货期的精准化,有些工序加工能力的瓶颈日渐显现,同时随着人工成本的较大提高,降低相应工序劳动强度,提高加工效率成为必须。
1 盘类齿轮生产线的分析
盘齿生产工艺流程包括:精锻齿坯、粗车☆、精车☆、滚齿(插齿)、剃齿、压装、束焊、热处理、抛丸、磨削、成品。
“☆”为瓶颈工序,表现为物流沉积,致使生产节奏短期紊乱,影响生产计划的完成,为维护原有生产节拍,生产线每道工序均要延长工作时间,产品单位成本增加,特别是瓶颈工序,为赶生产节奏,产品的工序合格率下降,致使后道工序的定位精度不稳定,造成盘齿生产线成品不良品率忽高忽低。
2 解决盘类齿轮生产线瓶颈的方案
作为齿轮生产第一道工序,车削工序的进度直接影响生产线的生产节奏和周期,由于毛坯采购延迟性的客观存在,车削工序物流吞吐的波动区间很大。盘齿生产线粗车设备是普通车床,由人工操作,劳动强度非常大,若增加设备,在市场需求低潮期时,设备闲置严重;若提高工作时间,人工成本将大幅增加,而运用机电一体化技术对现有粗车设备进行改造,提高了粗车设备的精度和自动化程度,实现加工效率的提升。
2.1 改造前车床的结构及加工性能
(1)普通车床的组成:主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身。
(2)车床的操控性能:普通车床用于工件回转表面的加工,圆柱面和平面的加工精度好,锥面和曲面的加工精度取决于操作者的技术水平,同类零件大批量加工时的效率较低,适于少量多品种加工。由于传动链为复杂的机械结构,存在机械磨损,装配间隙始终存在,加工时靠操作者经验消除,加工精度不稳定,刀架刀位转换由人工操控完成,效率低。
2.2 普通车床改造方案
(1)主轴系统
保持原机床主轴箱结构不变,拆除挂轮架,为主电机配以恒功率矢量变频器,主轴编码器安装于主轴箱体上,与挂轮架轴用联轴器相连,1:1转速比,实现螺纹加工。配以气动卡盘和气源系统,实现快速装夹,提高加工效率。
工件旋转运动:
如图1所示。
(2)进给系统
拆除普通机床上的光杠、丝杠螺母副,拆除进给箱、溜板箱内的变速传动装置及操纵机构,用滚珠丝杠螺母副替换原梯形丝杠螺母副,用两台驱动电机分别与纵向、横向滚珠丝杠副直接联接,连接用联轴器,两台驱动器+电机构成刀架纵横方向的驱动源。这种传动连接方式减少了中间环节,消除了机械传动固有的误差。其传动链为:
a.纵向(Z轴)传动链:
如图2所示。
b.横向(X轴)传动链:
如图3所示。
c.螺纹加工传动链:
由纵、横向(X、Z轴)传动链+主轴系统+NC运算共同完成
(3)改造车床的操控性能
为车床配置数控系统,用数控装置自动控制零件的加工,拆除手动刀架,用电动刀架来实现刀具的装夹和换位。依据零件加工的工艺要求和参数,编制加工程序,用NC+PLC实现机床动作的逻辑控制和插补运算,即零件加工时的刀具运动轨迹、零件的旋转方式和速度,刀位的转换等。通过上述的改造,机床的操控性能有很大改善,操作者的技能和情绪对加工过程干扰很小,零件的工艺尺寸稳定,加工效率成倍提高,机床的故障率下降。
(4)改造方案中功能部件的空间布局(图4)
(5)数控系统控制框图
如图5所示。
2.3 数控系统的选择
(1)数控系统(CNC系统)的构成
数控系统由数控装置(NC)、驱动系统、反馈系统构成,按反馈的方式分为三种:全闭环系统、半闭环系统、开环系统。
(2)适用于车削功能实现的数控装置
最简配置的主要技术指标:
2个控制联动轴,最小指令单位0.01—0.001mm,进给速度范围1—3000m/min,刀具偏置个数6—18个,电子齿轮变比1/127—127,驱动方式为步进驱动方式或伺服驱动方式,PLC独立式或内置式。
(3)盘类零件车削加工的分析
我公司盘类齿坯最大外径Φ200mm,后道滚齿工序以零件内孔及端面定位,芯轴夹装。粗车—半精车—精车经济精度:公差等级8-6级(IT),粗糙度Ra(3.2-0.8)。为提高效率并保证加工精度,对粗车工位进行调整,形成粗车+半精车工序,使精车工序加工余量减少,用于后道滚齿工序定位的内孔和端面精度的稳定性大大改善,改造后的车削设备承担盘类零件粗车—半精车加工任务。
(4)数控系统方案的确定
鉴于改造后的车削设备承担盘类零件粗车—半精车加工,且以提高加工效率为主要目的,从改造的性价比角度,选用半闭环反馈方式,内置或外置式PLC,伺服驱动方式;盘类齿坯的几何结构较简单,选12个刀具偏置,配置6工位刀架,单一固定循环加工可满足加工效率要求,PLC输入输出点为20/6可满足外部控制要求,需具有反向间隙补偿功能。因此选用经济型车床数控系统。国内经济型车床数控系统主要有FANUC——0i Mate系统,SIEMENS——802低端系统,华中数控,凯恩帝系统等。目前国产系统技术已很成熟,价格又低,服务成本低。凯恩帝系统的操作界面与发那科系统相似,我公司使用的大部分数控系统是FANUC系统,选用凯恩帝系统便于操作熟练。
2.4 进给系统的改造
选用标准伺服驱动器,与电机构成反馈控制,驱动电机分别置于床身尾部和外床鞍,以便于驱动电机的安装;电机与滚珠丝杠副通过锥环联轴器直接联接,大大降低机械装配误差;选用标准锥环联轴器,定心性好,承载能力高,传动精度高;滚珠丝杠副选用内循环式双螺母结构P4级,其直径选用与原T型丝杠直径相近的标准件,可实现半精车加工的精度传递要求。其传动精度为0.01MM/脉冲,其承载能力与改造前相当。
2.5 主轴和自动换刀系统的改造
保持原机床主轴箱结构不变,将原机床的主电机作为主轴驱动电机,为电机配置恒功率矢量变频器,主轴电机功率为7.5kW,可选LG变频器IS5——8kW,拆除挂轮机构,在挂轮轴上安装编码器,选用1024线增量式光电编码器,采用弹性联轴器连接,1:1转速比;在主轴前端安装标准气动卡盘。改造前通过齿轮传动比的变化实现主轴调速,主轴调速方式为阶梯型,上述改造后,主轴具有平滑的调速特性,编码器的配置实现螺纹加工,对加工零件的粗糙度的控制非常自如。工件夹装系统配置小功率空压机作为气源,压力范围0.2~6MP,配置电磁换向阀作为装夹操控,标准气动卡盘组件为装夹执行件,工件装夹效率提高显著。为提高加工效率,用标准6工位电动刀架替换原手动刀架,标准锥孔安装定位。
2.6 润滑系统
配置小型标准润滑站进行润滑控制,采用稀油集中定量、定时供油润滑的方式,分为手控润滑和PLC程序自动润滑,小型润滑站配置于大拖板下溜板箱处,配置油道至滚珠丝母。
2.7 改造后车床的控制逻辑
机床的核心控制逻辑由CNC的PLC标准车床程序实现, PLC的I/O接口用DC24V继电器过渡,6工位电动刀架实现换刀,润滑系统间歇性工作,时间配置由PLC和润滑站双位控制,主轴控制由变频器参数完成,粗糙度的控制由NC加工指令发讯给变频器实现。
3 投入产出分析
3.1 加工能力分析
以盘齿零件为统计分析对象,针对粗车、精车工序进行统计和分析,其在改造前半年和改造后半年工序能力的状况统计如下。
前:工序平均能力为:1.315 小于1.33
后:工序平均能力为:1.585 远大于1.33
如图6所示。
3.2 生产线纳入不良品率
改造前不良品率600PPM,改造后不良品率180PPM,不良品下降420PPM
3.3 投入产出分析
改造后,东风商用车变数箱公司对我公司的不良品考核、延期交货考核大幅下降80%,且我公司供货量提高了30%,运用机电技术对齿轮生产线改造后,相关工序加工效率显著提高,纳入不良品降幅巨大,其产出远大于投入。
①作者简介:戚思明(1966—),男,江苏盐城人,大学学历,河南油田齿轮有限公司设备部部长,助理工程师。研究方向:机电一体化设备开发、改造及大修,数控系统维护,矿用减速器开发和设计。
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