摘要：汽车工业是目前我国机械制造业中的第一大行业，众多零部件生产商为整车制造厂配套。刹车盘作为汽车零部件中的易损件，需求量巨大，全国每年约需6 亿片。目前，这类企业大多采用通用数控车床或盘类零件数控专机进行生产，自动化程度和生产效率低，远不能满足日益增强的市场需求。生产方式的落后也制约了产品性能和质量的提升，故而产业升级迫在眉睫，迫切需要高度自动化、智能化、信息化的新一代生产装备，能够满足产业升级的需求。
关键词：汽车刹车盘；自动加工生产线；电气控制；
刹车盘的加工多采用数控立式车床，刚性好、转矩大，可进行强力切削。
一、自动线概述
刹车盘零件是典型的适合于数控车床上加工的盘类回转体零件，该类零件的加工主要经过三道工序，一是下方各面（内外圆、端面、台阶面）的车削；二是上方各面（内外圆、端面、台阶面）的车削；三是孔系加工。下文分别将其简称为1 序、2 序和3 序。在单件小批量生产的情况下，人们往往把前两道工序合二为一，通过两次装夹（掉头装夹）在同一台车床上完成。由于两次装夹占用的辅助时间过长，且两道工序只能依次加工而不能并行运行，总加工时间完全累加，使生产效率极其低下。面对目前大批量生产的市场需求，很多企业使用两台车床，使1 序、2 序两道工序并行进行，加工周期显著缩短。然而，两台独立车床上工件的装卸、车床间工件的传输完全由人工完成，劳动强度大、效率低且无法获得完全的可靠性和稳定性。车削完成后还要转运至钻孔工段完成3 序，即最后的孔系加工。各工序加工单元独立而松散，仍然无法实现快节奏、高效率的加工。针对以上问题，蓝牙自动线把各工序加工单元有机地结合到一条自动加工生产线中，如图1所示。其把1 序、2 序两工序的两台车床以倒立车和正立车的形式结合到一台双路径（共享床身）正倒立车上，随后是完成孔系加工的钻削中心，中间是传输工件的机械手。其中，第一路径的倒立车用安装在Z、X 方向可移动的主轴部件上的倒置卡盘从上方抓卡工件后，与固定于下方的刀架相对运动，正好完成第一道工序的加工。1 序加工完成后，工件移动到第二路径正立车的卡盘上方，两卡盘对接交接工件。交接完成后，第二路径的立式固定卡盘从下方抓卡工件，由上方该路径的刀架Z、X 方向运动，正好完成第二道工序的加工；同时，路径1 卡盘回退，于自动线入口上料位置抓卡工件，进行下一个工件第一道工序的加工。序2 加工完成后，由机械手卸料、移动、转位，将工件快速输送到安装于钻削中心工作台上的立式卡盘中，进行最后的孔系加工。而立车两路径在再一次卡盘对接后进行各自工序的加工。如此，通过全部三道工序的并行加工和工件在两卡盘之间的动态快速对接以及机械手快速传输工件，人们实现了汽车刹车盘零件快节奏和高效率的加工；而立车两路径并行加工、正倒立车卡盘动态对接以及机械手和两台机床协调动作则是该自动线的控制要点。
二、汽车刹车盘自动加工生产线及其电气控制
1.把一台倒立车（回转刀架固定于下方的床座，工件主轴倒置安装并在床身或横梁上做Z、X 方向进给运动）和一台普通立车（主轴部件固定于下方的床座，刀架部件在床身或横梁上做Z、X 方向进给运动）共用一套基础支承件（床座、床身），就形成了本自动线上的正倒立车。也就是说，本自动线上的正倒立车拥有两套立式车削运动部件，可独立地实现两组车削运动——主运动和Z、X 方向进给运动。FANUC CNC 把每一套类似这样的运动部件及其运动叫做一个路径。每一个路径有其专门的程序存储区保存自己的程序，并可同时独立地从这些存储区调用并运行各自的程序从而实现各路径并行的切削加工运动或其他辅助动作，如上下料等。对FANUC 0i-TF CNC 而言，可以控制2 个切削加工路径外加2 个外围设备路径。利用FANUC0i-F CNC 的这种多路径控制功能，即可实现正倒立车两路径的并行加工。为使FANUC CNC 多路径控制功能生效，人们需做正确的设置。其中最基本的就是配置各路径，即把各进给轴及主轴分配到相应的路径。参数【0981】是进给轴参数，由它确定该进给轴所属的路径，其取值即为所属路径的路径号；参数【0982】是主轴参数，由它确定该主轴所属的路径，其取值亦为所属路径的路径号。本例中参数【0981】、【0982】的设置如表1 所示。表1 将机床分为两个路径，所有其他与加工有关的参数，都要在每个路径中分别设置。因为操作界面只有一套，对每个路径而言，有些画面（如自动加工时的程序检查画面）可以同时显示出来，其他画面则只能按路径单独显示，此时就需要用路径选择信号来切换画面。
（表1）
2.正倒立车卡盘动态对接。两卡盘动态对接交接工件过程：（1）路径2 中工件2 序完成停车→卡盘打开，等待路径1 中下一个工件1 序完成（用等待M 代码同步），工件由机械手取出并送往钻削中心；（2）路径1 中工件1 序完成→路径2 主轴（卡盘）按下一步切削速度启动旋转→路径1 主轴切换为与路径2 主轴的转速同步方式跟随变速，至转速一致（同步完成），同时X 方向（横向）快移至路径2 卡盘上方；（3）路径1 卡盘Z 方向下移至工件到达路径2 卡盘定位面→路径2 卡盘夹紧→路径1 卡盘松开→路径1 主轴（卡盘）Z 向上移，对接完成。上述动态对接的关键是两主轴同步旋转。对主动主轴本身而言，该两参数取值均为0。当两主轴转速差达到参数【4033】设定的范围时，系统返回状态信号，指示同步就绪，即可进行同步对接的下一步动作。对接完成后，撤销指令信号，两主轴即独立，执行各自的S 指令。除主轴转速同步外，还可以指令相位同步，以实现非回转体表面工件的对接。
3.机械手动作协调。本自动线机械手作为其钻削中心的上料部件，其动作由钻削中心控制系统（采用FANUC 0i-MF CNC，下文简称M系统，同时简称前工序所用的FANUC 0i-TF CNC 为T 系统）的PMC 控制。机械手动作包括横向（左右）移动、竖直（上下）移动和180°旋转，分别用3 个PMC 控制轴实现。机械手要和工件的前后两加工工序协调动作，就是要在前面的工件2序完成时进行前工序的卸料和后面的钻削中心处于等待时为其上料。为钻削中心上料是M 系统内部控制，而前工序的卸料需要两个系统同步，是协调机械手的关键。本例通过特定的M 代码以及PMC 输入输出信号实现机械手动作和前工序加工的协调。如前所述，当两个工件的2 序和3 序分别在立车和钻削中心上加工时，机械手在自己的等待位置上等待。前工序加工完成时，T 系统路径2 执行辅助代码M40，产生输出信号Y7.0。T 系统的此输出信号连接于M 系统的输入信号X15.0。当X15.0 由0 变1 时，M 系统启动机械手为前工序卸料。工件卸出后M 系统也产生输出信号同样连接于T 系统的输入信号，T 系统路径执行结束，开始其下一个加工周期，同时复位随即还原。这样，所有相关信号复位还原，等机械手为钻削中心上料完成归为等待时，做好下一次两系统通信的准备。
汽车刹车盘自动加工生产线巧妙利用正倒立车从两个不同方向布局的卡盘抓卡工件，通过卡盘对接快速动态完成二次装夹，再利用快速运动机械手从车床到钻削中心传输工件。很好地完成了刹车盘的粗、精加工，其在国内多家汽车制造厂及刹车盘的配套厂得到了广泛的应用。
参考文献：
[1]苏君明，杨军，肖志超，周绍建，彭志刚，辛建国，李睿，韩媚，赵胜利，谷立民.飞机刹车盘的结构与性能[J].新型炭材料，2016，1：81-89.
[2]邹美英.防滑刹车系统新型控制设计与仿真研究[D].西北工业大学，2015.
[3]周丰.液压盘式刹车控制策略及数字仿真[D].长江大学，2016.
论文作者:李晓辉
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/21
标签：路径论文; 工件论文; 卡盘论文; 加工论文; 机械手论文; 工序论文; 主轴论文; 《电力设备》2018年第15期论文;