全自动CNC镗削活塞销孔专机的研究开发
1前言活塞是轿车发动机的关键零件，活塞的质量和产量直接影响轿车的质量和产量。目前我国轿车工业发展非常迅速，以上海大众桑塔纳轿车发展为例，1994年生产纲领为年产10万辆，1995年为15万辆，1996年达20万辆，1997年达25万辆，到本世纪末将达50万辆。上海新建的SGM公司1998年底将推出新的中高档轿车，这样，活塞的需求量将更大。上海活塞厂是一家能直接与轿车配套生产活塞的专业厂，为了与桑塔纳轿车生产配套，该厂从80年代中期开始逐渐从国外引进了1000多万美元的活塞加工关键专用工艺设备，组成了我国第一条轿车用活塞生产线，但其生产能力只能为年产10～20万桑塔纳轿车配套服务。要与年产50万辆桑塔纳轿车配套生产活塞，必须引进上千万美元的关键设备，这是企业难以承受的。为了降低活塞制造成本，发展我国先进制造技术，研制活塞加工关键工艺设备势在必行。为此，1994年上海活塞厂根据生产发展的需要，提出了引进设备国产化的设想。经过半年多的调查研究，上海交通大学与上海活塞厂在上海市重点办、上海桑塔纳轿车国产化办公室、上海汽车工业集团总公司、上海桑塔纳轿车攻关项目办公室的支持下，签署了全自动CNC镗削活塞销孔专用机床合作研究开发协议，并且由上海交通大学、上海活塞厂以及有关机床厂组成了攻关队伍，制定了详细的研究计划。经过二年多的奋战，全自动CNC镗削活塞销孔专用机床终于研制完毕，并于1997年8月运抵上海活塞厂投入了生产。
经机械工业部机床产品质量监督检测中心上海分中心的检测和生产实际考核，该机性能稳定，质量可靠。并于1998年1月通过了机械工业部和上海汽车工业总公司联合组织的鉴定。
2被加工零件的要求
镗削活塞销孔是活塞加工工艺流程中较复杂的一道工序，包括镗孔、镗外口，切挡圈槽、倒内角和倒外角等五个部位的加工。图1是被加工零件简图。其材料为硅铝合金，加工尺寸要求为：销孔直径为φ19.5+0.050mm、止口端面至销孔内圆面的距离为19.24±0．03mm，挡圈槽直径为φ21.7+0.13-0.05mm、宽为1.6+0.10mm、槽底圆弧半径为R0.8mm，外口直径为φ22.2+0.40mm、圆弧半径为R0.5mm，内角圆弧半径为R0.5mm、宽度为0.8+0.2-0.1mm，外角锥度为40°±10′，销孔两挡圈槽外部之间距离为60+0.20mm，两外角之间距离为62.15±0．2mm，两外口之间距离为65±0．2mm。位置度要求为：挡圈槽、外口、外角对活塞中心线的对称度要求为0.2mm，两内角端面与销孔中心线之间的垂直度要求为100∶0.8，挡圈槽相对销孔中心线的径向跳动为0.1mm，销孔中心线与活塞中心线不共面，其间距为1.2±0.75mm。所有这些加工要求是在一次安装、不停机、不换工位的情况下，一次性地加工完毕来保证的。
图1被加工零件简图
3机床工作原理
活塞加工的特点是批量大、加工精度要求高、生产节拍快、自动化程度高、加工稳定性要好。针对这些特点，本课题设计了如图2所示的全自动CNC镗削活塞销孔专用机床(图中D气缸和E气缸带动的齿轮找正机构对准O1处待加工活塞的后部，G和F气缸分别对准O2处待加工活塞的前部和后部)。整台机床由床身、主轴系统、偏心机构、刀排、自动上下料机构、气动系统、数控与伺服系统等组成。下面分别介绍其自动上下料和数控多刀双偏心镗削原理。
图2全自动CNC镗削活塞销孔专用机床示意图
1.下料槽 2、3.伺服电机 4.主轴电机 5.主轴 6.偏心套 7.机械手 8.刀排 9.上料槽 10.控制台
3.1全自动上下料
全自动上下料机构具有自动检测、故障诊断和报警功能，是实现大批量、快节拍和自动化加工的关键。它可以提高劳动生产率、减少劳动强度、保证加工精度的一致性和自动化生产线的协调性。其工作过程如下：由上道工序(全自动CNC精车活塞止口专用机床)自动输入的活塞储存在上料槽9中，在压紧缸A松开后，活塞自动下滚，至挡料缸B挡住为止(挡料缸B和压紧缸A之间的距离只能容纳一只活塞)；随后压紧缸A恢复压紧状态，阻止后面的活塞下滚；接着挡料缸B松开，活塞滚入V型块中，挡料缸B复位；之后，推料缸D推动活塞进入机械手7中；此时找正缸E转动活塞，进行定向找正；找正后，D、E气缸复位；然后上料缸C将机械手7推至定位元件止口座前端；顶紧缸G推动活塞进入止口座中，并顶紧；随后上料缸C复位；接着开始加工。在加工的同时，A、B、D和E气缸动作，作上料准备，这样可以减少上料辅助时间。加工完毕后，顶紧气缸G放松，卸料缸F推动活塞从止口座中弹出，通过导向杆下滑卸料。
以上动作的协调都是通过数控系统和PLC控制系统来完成的，而动作的可靠性完全取决于气动系统的性能。
3.2数控多刀双偏心镗削原理
由于活塞是大批量生产，因而需要有高效的加工设备和合理的加工工艺。数控技术和在线检测技术是实现高效、柔性自动化生产的关键技术。而工序的相对集中，则有利于减少工件安装次数、避免安装误差、减少机床和工装数量、减少占地面积和辅助时间，同时降低故障概率、提高加工精度。为此，本机床采用数控多刀双偏心镗削技术，在一次安装、不换刀排、不停机、不换工位的情况下，实现了活塞销孔、外口、环槽、内外倒角的高效全自动加工。
如图1所示，活塞销孔分为左右二段，每段孔有五个加工部位，即外口、外倒角、销孔、环槽和内倒角。数控多刀双偏心镗削技术是在保证同轴度要求的前提下，采用数控技术和偏心机构，控制两个主轴头同时进行加工。每个主轴头装有一个刀排，每个刀排上装了五把刀具，分别完成镗孔、镗外口、切挡圈槽、倒内角和倒外角等五个部位的加工。其工作原理如图2所示：主轴电机通过皮带盘带动主轴连同偏心旋转驱动轴、联轴器、偏心套、偏心轴和刀排一起旋转作主切削运动，偏心套中心线与主轴旋转中心线之间有一偏心量e1，刀排安装孔中心线与偏心轴中心线之间又有一偏心量e2，一般设计成e1＝e2。在初始位置时，刀排中心线与主轴旋转中心线重合。当偏心旋转驱动轴通过联轴器驱动偏心套中的偏心轴以及固定在其上的刀排旋转180°时，刀排中心线与主轴旋转中心线之间的距离为e1＋e2。而当刀排返回到0°时，刀排中心线与主轴旋转中心线又重合。
根据活塞的加工要求，在刀排对称位置上分别装有镗孔刀、镗外口刀和切槽、倒内角、倒外角刀。首先，在刀排中心线与主轴旋转中心线重合时镗内孔和镗外口，镗到尺寸后，伺服电机3带动偏心轴沿主轴旋转方向旋转，由于偏心作用，镗孔刀和镗外口刀沿径向退刀，而其余三把刀(切槽刀、倒外角刀和倒内角刀)则沿径向进刀，完成切挡圈槽、倒外角和倒内角的工作。轴向进给由伺服电机2带动滚珠丝杠副及直线导轨来实现，主要完成镗孔的进给和主轴箱的快进及快退动作。这样，在一次安装、不换刀排、不停机、不换工位的情况下，实现了活塞销孔五个部位的高效自动加工。
4机床控制系统
全自动CNC镗削活塞销孔专用机床的控制系统主要由数控系统、伺服系统和气动系统等组成。数控和伺服系统采用德国西门子公司的产品，由810M数控系统、611-AIRF驱动电源、主轴电机、交流伺服进给电机和伺服驱动模块等组成。810M数控系统是用于铣削加工机床的紧凑型CNC控制系统，由CNC、PLC、操作面板、显示器等组成。其中CNC是整台机床的控制中心，可以通过它进行数控编程。在加工过程中，CNC接收有关机床位置和状态信息，同时根据需要发出各种指令控制机床完成预期动作。PLC(可编程逻辑控制器)集成在CNC控制器内部，它是CNC和机床之间的接口，担负着它们之间的信息交换，控制机床从自动上料、各种辅助动作的执行到自动下料等动作流程，实现机床的顺序控制。PLC使用STEP5语言编程，可用“语句表”、“控制系统流程图”或“梯形图”三种表达方法来编写。主轴电机采用了西门子的双速电机，通过Y-Δ切换来改变转速，通过皮带盘带动主轴连同偏心旋转驱动轴、联轴器、偏心套、偏心轴和刀排一起旋转作主切削运动。四个伺服轴的驱动采用了SIMODRIVE 611-A伺服驱动模块及其交流伺服电机，伺服驱动模块主要根据CNC发出的信息控制左右镗刀的同步直线进给和偏心进给。伺服电机内装有速度编码器和位置编码器，便于精确控制刀具的进给。气动系统采用德国FESTO公司生产的阀、气缸和传感器等，由PLC统一管理，具有动作可靠、性能稳定的特点。
5机床的主要特点
(1)基准统一，具有自动定位和自动压紧功能。可以在一次安装、不停机、不换刀排的情况下，高效、自动地实现活塞销孔的镗孔、镗外口、切挡圈槽、倒内角和倒外角等五个部位的加工。基准统一可以减少安装次数、安装误差和安装时间，节省工装夹具和机床占地面积，同时减少故障概率，提高加工精度。
(2)采用双头、双偏心、多刀主轴系统和对称伺服驱动结构，可以实现工序的相对集中，提高机床加工精度。
(3)具有自动检测、故障报警的全自动上下料机构。它是实现大批量、快节拍和自动化加工的关键，可以提高劳动生产率、减少劳动强度、保证加工精度的一致性和自动化生产线的协调性。
(4)具有高稳定性与可靠性、操作容易、维修方便的气动、电气和数控系统。如上所述，所有气动、电气和数控系统的元器件都是目前国际上信誉良好的公司的产品。因而质量可靠、性能稳定、互换性好。
整台机床充分体现了机、电、气、PLC控制技术以及数控技术的有机结合，是先进制造技术的典型应用。
6结论
上述专用机床实现活塞销孔的全自动化加工。在一次安装、不停机、不换工位的情况下，从上料、加工到下料全自动完成。该机床已在上海活塞厂投入生产，而且已和上一台全自动CNC精车活塞止口专用机床连在一起，实现连线自动化生产。经机械工业部机床产品质量监督检测中心上海分中心的检测和实际生产考核，机床的各项性能指标均达到了设计要求，加工节拍为：每只活塞加工时间少于20秒。
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