铁路轴承行业磨削加工自动生产线的研究

铁路轴承行业磨削加工自动生产线的研究

随着当前铁路运输能力的重要性和高速铁路的快速发展，中国的大型、精密和专业承载轴无法满足需求，大部分仍然需要进口。轴承行业又属于传统的劳动密集型行业,整体装备制造自动化水平落后,随着企业用工成本上升及产业转型升级的要求,单纯的设备性能的提高,对提高生产效率的贡献是非常有限的。只有制造模式和管理模式的变革,才能让生产效率得到飞跃式的提高。集自动化、柔性化和智能化于一身的制造模式将是今后制造业发展的大趋势。本文介绍的自动生产线是由端面高精磨床、滚道精密磨床、内孔磨床、挡边磨床、圆锥滚子无心磨床、桁架自动机械手上下料、物流系统、检测装置等组成。整条线的内圈、外圈研磨工序内容分为:细磨、精磨和超精3道工序,均采用桁架机械手进行自动上下料磨削加工。生产线附加信息化生产管理系统与智能化监控系统,设立总控室,具有生产任务管理支持、质量信息采集与分析监控、生产线装备运行状态监控及快速处理等功能,实现了设备互联与集中控制,为创建数字化工厂打下了坚实的基础。1技术方案1.1生产线运行时间该自动化生产线加工工件为铁路轴承(图1),生产线要求兼容3种铁路轴承,设计生产能力为:年产铁路轴承10万套。自动生产线平均无故障运行时间(MT-BF)1000h以上。铁路轴承外圈加工节拍包括装夹时间共计175s,内圈加工节拍包括装夹时间共计90s。1.2自动物流料道按照自动生产线要求:集成精磨各工序加工,兼容3种不同规格铁路轴承,同时考虑实现长时间无人化运转,整个生产线在配置磨床的基础上,增加集输送、翻转、退磁、清洗于一体的自动物流料道,工件的转序使用桁架机械手进行上下料。根据大批量加工要求,制定如下加工工艺:粗磨端面(双端面)———粗磨内外径滚道———粗磨挡边———粗磨内径———附加回火———细磨端面(双端面)———细磨内外径滚道———细磨内径———精磨滚道———细磨挡边———超精滚道、挡边。(2)高精磨削工艺路线粗磨端面(双端面)———粗磨外径(无心)———粗磨滚道、牙口(双沟、双牙口一次磨)———附加回火———细磨端面(双端面)———细磨外径———精磨外径、细磨滚道、牙口(双沟、双牙口一次磨)———精磨滚道、牙口(双沟、双牙口一次磨)———超精滚道、砂带抛光外径。根据以上工艺路线及工厂实际情况:将内圈的细磨、精磨和超精3道最重要工序共5台高精磨床及1台超精机连线使用自动化加工(图2)。将外圈的细磨、精磨和超精3道最重要工序共4台高精磨床及1台超精机连线使用自动化加工(图3)。在自动化方面,外圈采用2台双竖轴机械手进行上下料,内圈采用3台四轴桁架机械手进行上下料。1.3圈装复合式自动化生产线的生产工艺流程,其符合高级工序、清洗、转序、放设计时考虑生产节拍和整条生产线产能的要求,自动上下料时间不占用机床磨削加工时间,因此,在布局上,内圈生产线使用3台四轴桁架机械手和5台精密磨床组成。同时附加上料道,完成上料任务。每台磨床之间配置退磁,清洗,翻转为一体的料道,实现转序的功能。内圈加工过程存在工件的多角度安装要求,因此四轴桁架机械手的设计满足了不同角度,安装中心不在同一轴线的使用要求。整体内圈自动生产线(图4)采用串联的方式,3套竖轴机械手服务5道工序。其中Y1负责OP10,OP20工序,Y2负责OP30,OP40工序,Y3负责OP50工序。毛坯经过每道工序加工完成后,都会通过四轴桁架机械手将工件转入退磁、清洗、转序料道,在OP50工序完成后,最终经过细磨挡边工序后,转入超精滚道挡边工序,完成轴承内圈磨削加工。外圈生产线使用2台双竖轴桁架机械手和4台精密磨床组成。同时附加上料道,退磁,清洗,翻转为一体转序料道,形成整体化的自动化生产线。外圈加工过程工件存在姿态转换,考虑到工件外形结构特点和工件整体重量,桁架机械手采用同一托板的双竖轴结构,在完成上料的同时,进行下料动作,提高机床的利用率。外圈自动生产线(图5)同样采用串联的方式,两套双竖轴机械手,服务4道工序。其中Y1负责OP10,OP20工序,Y2负责OP30,OP40工序,经过退磁、清洗、转序料道转入超精滚道、外径工序,完成轴承外圈磨削加工。双竖轴Y1桁架机器人的机械手Z1从上料道将工件抓取,等到OP10细磨外径工序完成工件第一序加工后,机械手进入机床内部,Z2先把加工完成的工件卸下,Z1移动到工件安装位置,将毛坯工件安装到夹具上,然后退出机床加工区域,将工件放入退磁清洗料道,经过翻转,改变工件姿态,机械手Z2抓取工件后,快速进入OP20精磨外径工序等待区域,当机床完成工件OP20精磨外径的加工后,Y1机械手执行和OP10相同的动作,将工件进行交换,OP20工序完成后,Y1桁架机械手将完成的工件放入退磁清洗料道,经过翻转,转入OP30工序,双竖轴Y2桁架机器人执行同Y1类似动作,OP40完成品由退磁清洗料道转序到超精滚道外径工序,完成轴承外圈的磨削加工。2生产线的确定利用宁夏巨能机器人系统有限公司的GSF400,GST300桁架机械手,上下料道,中间料道及退磁清洗系统,无锡机床股份有限公司的3MK2025、3MK2125、3MK2225、3MK2332轴承专用磨床组成磨削自动生产线。完全实现铁路轴承柔性生产制造,自动化上下料,自动退磁,自动冲洗以及信息化生产管理。2.1gsf400四轴桁架机械手因为铁路轴承加工方式多角度要求及国内磨床发展实际现状,单一的两轴或三轴机械手已经不能满足自动上下料的要求。四轴桁架机械手(XYZ三个直线轴及W轴旋转轴)满足了不同位置及角度的上下料方式,避免了繁杂的调整环节,使加工设备和自动线摆放更加的自由,提高了自动线的柔性功能。GSF400四轴桁架机械手(图6)相关参数如下:(1)X/Y/Z三个直线轴联动及W轴旋转轴,具备柔性送料功能,高速、高效、低成本。(2)X/Y/Z轴移动速度:80/60/60m/min,W轴旋转速度:15r/min。(5)W轴±360°自由旋转有效解决工件任意角度摆放要求。GST300双竖轴机械手(图7),采用模块化设计,可以实现在上下料过程中,一个竖轴进行负责工件上料,另一个竖轴负责工件下料,有效缩减了机床停机等待的上下料时间,特别适合工件较重,加工节拍要求严格的场合,相对传统采用人工上下料方式,提高了数控机床的利用率。GST300双竖轴桁架机械手相关参数如下:(3)重复定位精度:±0.1mm。2.2设备的来源及设置磨床采用无锡机床股份有限公司生产的高精密内圆磨床、外圆磨床、滚道磨床、挡边磨床,满足轴承精加工需要。设备采用西门子802D-SL数控系统,满足组建数字化工厂的设备要求。同时精加工工序磨床,配置自动在线测量及自动补偿系统,实现加工过程中产品质量的智能化控制管理。2.3自动物流料道在轴承磨加工过程中,必须解决轴承套圈清洁问题,才能保证后序的装夹及加工精度。生产线研制了集中输送、翻转、退磁、清洗于一体的自动物流料道(图8),在有效解决清洗问题的前提下,最大程度实现了最小的占地面积,实现工厂长时间无人化自动加工。输送速度2m/min,90°自动翻转,退磁功能小于0.5×10-3T,应用传感器技术,实现工件自动及高效清洗,提高产品过程质量控制能力,并实现整个生产过程智能化控制管理。2.4生产数据采集分析管理模块设计系统以计算机以太网通讯技术,数控系统为基础,把机床工位与上层控制计算机集成连接在一起,实现制造企业现代化生产车间自动化网络化管理。管理系统分为以下几个模块:程序传输管理系统、生产数据采集分析管理和车间实时可视化反馈系统。整个生产线管理系统通过对生产数据的采集和分析,从而改善生产设备的总体生产运行效率,降低生产成本,提高产品质量。车间可视化管理模块中,将车间的布局按比例模拟到系统中,建立一个强大的电子看板,向企业用户决策者提供真实的车间任务、人员和设备状态信息,是有效改善企业制造过程的管理方法。程序传输管理模块中,通过扫描枪扫描工单上的条形码或者通过宏程序呼叫,服务器自动向机床发送程序,完成程序下载功能。在程序上传方面,所有程序直接从机床上传,服务器获得数据后自动保存管理。生产数据采集分析管理模块中,分为机床视图和工厂视图两个部分,通过数据长期采集记录,进行系统数据的详细分析,对管理者改善工厂管理提供数据支持。通过对产品过程质量数据统计记录,对应各工序检测数据对应工件序列号,直接进入系统后台数据库,轻松实现对每一件产品的质量追溯管理,实现产品全生命周期管理。3设备与技术指标的应用本自动生产线集工艺、设备、物流传输及信息控制技术为一体,是实现生产高度自动化的基础装备,同时也是对铁路轴承制造的全面解决方案。本项目已经经过验收,达到相应设计要求。现正在客户现场,进行安装调试。4铁路轴承行业融合工业机器人自动化生产线的数字化车间,提高了加工产品精度和可靠性,这也必将带动各装备制造业的同步发展。铁路轴承是高速列车的重要零部件之一,必须突出可靠性与经济性。从某种程度上说,铁路轴承行业对中国的铁路发展有着至关重要的作用。由于生产线设备本身是高度的多功能柔性加工设备,通过对设备夹具和手爪的改变,即可以实现其他类型轴承的加工,物料输送系统和计算机控制系统仍然保持不变,适合于批量生产,但也可以在产品更换后,进行生产线改造和重组,模块化的设计,方便和适应了产品的变化。智能技术和智能制造系统的示范