i5智能机床柔性加工单元认知探究

知识平台

1.机械加工的离散型智能制造特点

2016年，工业和信息化部印发了《智能制造试点示范2016 专项行动实施方案》，其中指出，当前，以智能制造为代表的新一轮产业变革迅猛发展，数字化、网络化、智能化日益成为制造业的主要趋势。智能制造是把物联网、云计算、大数据等新一代信息技术贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节。

在《关于开展智能制造试点示范2016 专项行动的通知》中有以下说明：在机械、航空、航天、汽车、船舶、轻工、服装、医疗器械、电子信息等离散制造领域，开展智能车间/工厂的集成创新与应用示范，推进数字化设计、装备智能化升级、工艺流程优化、精益生产、可视化管理、质量控制与追溯、智能物流等试点应用，推动企业全业务流程智能化整合。

沈阳机床集团i5自动化产品在汽车、轴承、齿轮、工程机械、电梯、电动机、传动轴、轮毂、小型通用件等行业均有涉及。自动化形式主要包括单机自动化单元、桁架自动化单元、机器人自动化单元等多种形式。沈阳机床集团与沈阳工学院共建的轴承压盖加工单元正是以轴承压盖为载体的柔性加工单元，其也是典型的离散型智能制造。自动生产线集成多种制造设备与系统，包括i5总控系统、3 种i5机床、辊式及盘式料道、海克斯康三坐标测量仪、激光打标机、安川机器人等。整套系统采用了3 种PLC，即西门子S1200、i5PINE 和三菱。可以说复杂度和耦合维度都很高，具备智能工厂的一切特点。

通过对轴承压盖加工单元这套柔性制造系统的认知和学习，除了可以学会智能工厂设备的基本操作技能，还希望学生能够融会贯通，提升智能工厂相关软硬件开发技能、系统规划管理技能，以及系统管理与数据分析技能，以适应未来智能制造的需要。轴承压盖加工单元的布局图如图8.1.2所示。

图8.1.2　轴承压盖加工单元的布局图

i5柔性加工单元流程图如图8.1.3所示。

图8.1.3　i5柔性加工单元流程图

2.i5柔性加工单元总控介绍

i5柔性加工单元总控（以下简称i5总控单元）本体外型采用钢板，整体设计符合人体工程学要求，外观美观，操作舒适，i5总控单元外形图如图8.1.4所示。i5总控单元内部电气元件采用国内外优质产品，最大限度保证设备稳定运行。i5总控单元配备12 寸液晶全触摸彩色显示屏，英特尔i7 处理器，1G 内存，8G 固态硬盘，集成VGA 视频输出，USB 等常用接口，支持外接鼠标及键盘；并且内置EtherCAT 高速数字总线、TCP/IP 网络接口；可使用EtherCAT 高速数字总线连接I/O 板卡等i5标准设备，同时支持分布式I/O方案；可使用TCP/IP 网络接口连接符合i5标准的WIS 车间管理系统，或者通过互联网接入到i5云平台。

i5总控单元使用具有完全自主知识产权的控制软件，软件基于X86 平台，采用CNC与UI 分离式设计。i5总控单元内部集成i5独有的控制界面，高度的客户定制化操作界面可以使操作更便捷、维护更方便、管理更简单，i5总控单元实物如图8.1.5所示。

图8.1.4　i5总控单元外形图

图8.1.5　i5总控单元实物

i5总控单元中的逻辑运动控制采用符合国际电工委员会IEC 61131-3 标准的ST 结构文本编程语言。该语言与梯形图相比，能实现更复杂的数学与逻辑运算，而编写的程序更加简洁、紧凑、高效。

i5总控单元可以实现以下主要功能。

（1）显示各机床运行状态计时（加工、空闲、报警）。

（2）显示各机床当前运行状态（加工、等待换料、正在换料）。

（3）显示机器人当前状态（各机床及料库上、下料等）。

（4）i5总控单元总控界面一键启动（该功能需要机床电气设计符合i5总控单元接口要求）。

（5）i5总控单元总控界面一键暂停（该功能需要机床电气设计符合i5总控单元接口要求）。

（6）显示整条自动生产线总加工工件数量。

（7）显示整条自动生产线当日加工工件数量，并可清除。

（8）监控与总控交互的I/O 信号情况。

i5总控单元配置如图8.1.6所示。

图8.1.6　i5总控单元配置

3.柔性制造的零件类型识别系统

工件检测装置由支架平行气缸及感应开关组成，通过检测工件高度、直径来确定工件种类，为下一步加工提供信息。

随着激光测距仪的广泛应用和发展，工件的轮廓识别系统应运而生。激光测距仪技术作为自动化技术领域的关键技术之一，其工件的轮廓系统可以自动定位加工物件，并判断工件的位置是否正确，对产品的形状、尺寸大小进行检测，对产品进行分类，进而提高加工速度和生产线的柔性。随着科技的不断进步，工业生产的自动化程度越来越高，工业机器人的柔性自动化加工在提高生产效率，确保生产质量，减低生产成本上的作用至关重要。工业机器人在生产过程中的应用最为普遍，其中工业机器人在工作时如何准确地获取工件的类别信息是很重要的，因此零件轮廓检测装置对机器人抓取精度起着重大影响。当位置误差较大时，机器人抓手在抓取工件会产生较大冲击，严重时将对机器人伺服电动机造成过载。传统类型的定位系统采用接近开关定位，其信号不及激光信号迅速、稳定，这使得定位时间和检测精度往往达不到要求。零件轮廓检测装置如图8.1.7所示。

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图8.1.7　零件轮廓检测装置

4.零件的机械加工工艺（轴承压盖）

1）轴承压盖作用

轴承压盖是沈阳机床的i5智能机床的零件，用于X 轴丝杠轴承的轴向定位和密封。轴承压盖分类型A 和类型B，分别装配在i5T3.3 智能车床X 轴丝杆一端和i5M4.2 智能机床的X 轴丝杆一端。其年需求量1 万件以上，精度要求较高。柔性加工单元以该零件为载体进行功能模块的设计和验证。

2）零件的加工需求

类型A 和B 轴承压盖都属于盘类零件，类型A 轴承压盖的表面特征有ϕ35 mm 内孔、4 mm×2.5 mm 内孔槽、2 mm×0.5 mm 外圆槽，其中右侧端面的0.5 mm 调整量是对轴承外环的预紧调整量，需要最后装配时磨削。类型A 轴承压盖零件图如图8.1.8所示。根据零件特征OP10、OP20、OP30 分别执行车、钻、铣，3 种零件加工工序相同，其中个别特征不同使工序中的刀具和加工程序不同。

图8.1.8　类型A 轴承压盖零件图

3）夹具分析

毛坯为45 钢。OP10 使用i5T3.3 智能车床加工，装夹为8 寸液压软爪左端面定位，外圆夹紧；OP20 使用i5V2 智能立式机床进行加工，即将OP10 的卡头部分撤掉，装夹与OP10 完全一样；OP30 使用i5M4.2 智能机床进行铣、钻的加工，8 寸液压压盘配液压软爪，因两种类型轴承压盖的外径尺寸不同，一套卡爪无法满足两种类型轴承压盖的同时装夹，为提高生产效率，本书采用了快换夹具实现对不同外径的两套轴承压盖的混流加工方案。工艺路线如图8.1.9所示。

图8.1.9　工艺路线

（a）OP10；（b）OP20；（c）OP30

4）加工所用刀具

加工刀具如表8.1.1所示。

表8.1.1　加工刀具

续表

5）部分加工程序

程序（部分）示例如下。

练习与提高

1.请写出图8.1.8 中轴承压盖零件的加工工艺。

2.请说明在图8.1.10 的柔性加工单元加工中智能机床都进行了哪些工作？

图8.1.10　柔性加工单元