當(dāng)前，車型的市場壽命周期越來越短，小批量、多品種生產(chǎn)成為各大汽車廠商的追求目標。與此相適應(yīng)，發(fā)動機的生產(chǎn)制造模式也必須適應(yīng)多品種、不同批量的市場需求。由于市場需求的多樣性，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期加快，促使許多發(fā)動機企業(yè)先后引進了以加工中心為主體的柔性生產(chǎn)線——柔性制造系統(tǒng)（FMS）。它能夠根據(jù)制造任務(wù)和生產(chǎn)環(huán)境變化迅速進行調(diào)整，適應(yīng)多品種、中小批量的生產(chǎn)需求。

　　 奇瑞公司的發(fā)動機二廠是根據(jù)汽車制造業(yè)多品種、柔性化生產(chǎn)的需求而建造的一個具有國際領(lǐng)先水平的現(xiàn)代化柔性工廠。該工廠在產(chǎn)品設(shè)計時就采用同步工程并充分預(yù)留后期產(chǎn)品的共用性，以便根據(jù)市場及產(chǎn)品需求，在生產(chǎn)線上共線生產(chǎn)多個品種。

　　圖1 柔性制造系統(tǒng)

　　 下面以該廠為例，介紹柔性生產(chǎn)在箱體和軸類生產(chǎn)中的應(yīng)用及實際使用中所需考慮的問題。

　　柔性生產(chǎn)線

　　一般柔性制造系統(tǒng)由以下組成部分： 2臺以上數(shù)控加工設(shè)備或加工中心及相應(yīng)的輔助設(shè)備；自動裝卸的運儲系統(tǒng)；套計算機控制系統(tǒng)。

　　 奇瑞發(fā)動機箱體類零件的主要加工部分均是由數(shù)十臺全柔性加工中心組成，幾個加工中心組成一個工島——柔性制造單元（FMC）。各個柔性制造單元之間均通過自動輥道或機械手連接起來，其中還包括所必需的清洗、壓裝、試漏、珩磨、在線測量、線外測量設(shè)備以及切削液集中處理裝置等。輔助設(shè)備一般采用通過式輥道輸送上料，并通過型號識別，選擇相應(yīng)的工位及試漏、擰緊程序。在柔性制造單元內(nèi)，由全自動機械手進行上下料，整線設(shè)有數(shù)個機械手。在生產(chǎn)線的自動輥道上，設(shè)置有產(chǎn)品型號自動識別裝置，機械手、輥道及加工中心通過Profibus總線連接起來，由一套西門子數(shù)控系統(tǒng)自動控制各部分的一致性。同時，控制計算機還能根據(jù)各機床的加工情況，選擇最優(yōu)的上下料順序，并根據(jù)設(shè)定的范圍，將需要抽檢的工件自動放入檢測站。

　　圖2 柔性制造單元

　　 每個FMC中都由幾道工序組成，每道工序分別由多臺相同型號的加工中心組成。每個FMC前面是上料輥道，后面是下料輥道及檢測站。各個FMC之間也是相應(yīng)的輥道，可以起到工件暫存作用。

　　 加工中心是FMC最核心的部分，F(xiàn)MC中的加工中心采用大容量刀庫的自動換刀系統(tǒng)，可以滿足多品種生產(chǎn)所需的快速換刀及刀具存儲需求。系統(tǒng)具有刀具壽命管理、激光刀具折斷檢測和ARTIS扭矩監(jiān)控等豐富的刀具監(jiān)控管理功能，使得設(shè)備的自動化及可靠性得到有效充分的保證。

　　 奇瑞發(fā)動機二廠的軸類生產(chǎn)線也是由高精度加工中心、CNC自動車床和全自動磨，以及拋光、清洗及檢測等各個制造單元FMC所組成的柔性制造系統(tǒng)FMS。

　　 舉例來說，凸輪軸生產(chǎn)線內(nèi)的機床選用了Siemens 840D、FANUC18i這些目前頂尖的系統(tǒng)來實現(xiàn)FMS的自動控制；通過奇瑞的技術(shù)人員與機床、控制系統(tǒng)開發(fā)商的共同研究，在原有平臺上新擴展和開發(fā)了多種控制功能和軟件。例如端面加工單元，其控制系統(tǒng)為Siemens 840D，為了配合多品種生產(chǎn)所需的大容量刀具存儲單元以及高速切削中的刀具壽命管理，Siemens數(shù)控系統(tǒng)中增加了ARTIS刀具檢測軟件，在切削過程中檢測主軸電機扭矩的變化，通過仿真及對比來監(jiān)控刀具狀態(tài)，確保加工的可靠性及穩(wěn)定性。同時，生產(chǎn)線的自動控制系統(tǒng)還擴展了主動檢測功能，在切削過程中實時對加工尺寸進行檢測，并將數(shù)據(jù)反饋至控制系統(tǒng)，隨機修正切削參數(shù)，以保證加工精度。

　　 運儲技術(shù)直接關(guān)系到FMS的自動化程度以及可靠性，影響生產(chǎn)線的物流、開通率及品種切換周期等。軸類生產(chǎn)線利用高速龍門式機械手以及帶工件識別功能的中轉(zhuǎn)料倉組成了生產(chǎn)線的運儲系統(tǒng)，機械手在X軸的運行速度可達120m/min，同時能夠根據(jù)各個加工單元發(fā)送的上料信號，在控制系統(tǒng)中通過高速、高精度的計算，在0.01s內(nèi)確定出最優(yōu)化路徑的上料次序，保證生產(chǎn)線的加工節(jié)拍。

　　 凸輪軸生產(chǎn)線的運儲系統(tǒng)還考慮到高濕環(huán)境以及地區(qū)地基的特點，增加了溫度的自動補償以及地基下沉補償功能。系統(tǒng)能夠周期性地檢測外界環(huán)境的變化以及自身精度的差異，通過系統(tǒng)中模塊化軟件的計算，進行自我診斷及補償，減少定位偏差。

　　 凸輪軸生產(chǎn)線能夠共線加工多種型號的凸輪軸，加工范圍覆蓋了長度范圍300～600mm的三缸/四缸汽/柴油發(fā)動機用凸輪軸，可以說建立這樣一條柔性生產(chǎn)線，相當(dāng)于建立了7條以上的傳統(tǒng)凸輪軸線，其意義已不僅是一個柔性制造系統(tǒng)，而是一個凸輪軸制造集中廠。

　　 FMS的主要特點是能夠?qū)崿F(xiàn)多品種共線生產(chǎn)，同時各品種之間的切換能夠快速且較為簡單的完成。此生產(chǎn)線通過尋找及對比多型號軸共同的定位及裝夾基準，來實現(xiàn)最為便捷的換型。

.　　柔性加工案例

　　 根據(jù)市場需求，奇瑞公司2006年開發(fā)了新的鑄鐵發(fā)動機，為縮短投產(chǎn)周期，公司決定在原有鑄鋁缸體線上進行共線生產(chǎn)。通過產(chǎn)品的對比分析，我們對機械手的夾爪、夾具的定位銷及夾爪進行了調(diào)整和更換，同時，增加相應(yīng)的刀具，修改加工程序和機械手的輸送控制程序，擴展工件型號裝置?？刂品矫?，我們在機床操作界面上對加工類型的選擇進行了擴展，在機械手系統(tǒng)上增加了鑰匙開關(guān)選擇加工類型。在生產(chǎn)換型中，切換機床上的NC程序選擇1.6L、1.8L或者2.0L的產(chǎn)品程序，并在機械手上選擇相應(yīng)的鑄鐵或鑄鋁工件，控制系統(tǒng)會自動控制型號識別裝置放行相應(yīng)的工件，機械手自動調(diào)用上下料程序，并自動調(diào)整上下料位置，機床則根據(jù)程序進行加工。整個單元的一致性由機械手的控制系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制。由于生產(chǎn)線采用的是3個相對獨立的柔性制造單元，因此，可以一個單元一個單元的換型，即當(dāng)?shù)诙⒌谌庸卧€在加工鋁缸體時，第一加工單元已經(jīng)進行了鑄鐵缸體的生產(chǎn)。

　　 奇瑞公司的72系列發(fā)動機是裝載在QQ系列車型上的一款自主研發(fā)的發(fā)動機，2005年，隨著QQ的熱銷，為補充72系列發(fā)動機產(chǎn)能，我們在發(fā)動機廠的481缸蓋線上抽出部分加工中心來加工72系列產(chǎn)品。由于兩個產(chǎn)品差異較大，因此我們采用了更換夾具的方式，將372的夾具安裝在481加工中心的托盤上，把372設(shè)備原有的數(shù)控加工程序直接拷貝過來，即可快速投入生產(chǎn)。

　　 除了能共線生產(chǎn)同類型的產(chǎn)品，還可利用自制組合夾具在箱體類個別工序能力富余的設(shè)備上進行進氣管的加工。組裝夾具和程序編制同時進行，只用了2天時間，就完成了進氣管設(shè)備的調(diào)試。生產(chǎn)結(jié)束后，拆下組合夾具，重新裝上缸蓋的夾具，設(shè)備又立即恢復(fù)了正常的加工。

　　 利用加工中心的柔性特點，對于已經(jīng)定型的產(chǎn)品來說，多個品種在一條線上生產(chǎn)優(yōu)勢更為明顯。奇瑞公司新建的一條缸蓋線可共線加工數(shù)個品種，包含汽油機和柴油機。由于這些產(chǎn)品都已基本定型，因此夾具和上料系統(tǒng)可以進行通用設(shè)計，刀具的設(shè)計也充分考慮多品種共用，以便節(jié)約成本并減少換刀時間。由于輸送輥道及上料裝置上設(shè)置了型號識別，夾具上也進行了防錯設(shè)計，機床已經(jīng)具備了混流生產(chǎn)能力。

　　 此外，產(chǎn)品切換也是多品種共線的關(guān)鍵部分。以軸類品種切換為例，首先，操作者在產(chǎn)品切換的界面中選定將要切換的型號，系統(tǒng)會提取事前輸入在系統(tǒng)中此型號對應(yīng)的換型內(nèi)容，提示及監(jiān)控整個換型過程；運儲系統(tǒng)中機械手的夾爪為伺服電機控制，由自動化控制系統(tǒng)發(fā)出指令，夾爪自動調(diào)整到位，同時機械手會返回完成信號至控制系統(tǒng)；機械手上還具備診斷開關(guān)，對位置進行判斷，如發(fā)現(xiàn)調(diào)整不到位，會立即反饋至控制系統(tǒng)，發(fā)出報警，由操作者根據(jù)報警提示信息進行下一步的操作；機床的夾具部分可通過伺服系統(tǒng)在幾秒內(nèi)自動調(diào)整到位，部分輔件需要人工進行調(diào)整或更換。生產(chǎn)線各制造單元，對于人工更換的部分均配備了機械輔助模塊及接近開關(guān)判斷，以保證換型的快捷和準確無誤。例如，生產(chǎn)線上的凸輪磨床，磨床在不同品種切換時，需要更換卡盤頂尖以及中心架的位置，在機床一側(cè)配備一個工具臺，工具臺內(nèi)放置不同型號凸輪軸所對應(yīng)的工裝。每套不同型號的工裝都通過信號開關(guān)與操作系統(tǒng)相連接，由操作系統(tǒng)進行監(jiān)控，如操作者忘記更換相應(yīng)的頂尖，系統(tǒng)將提示并報警。只有所有相應(yīng)的工裝全部拿出去并安裝在機床內(nèi)部，同時原機床內(nèi)部被更換下的工裝放回工具臺內(nèi)，系統(tǒng)經(jīng)過判斷后才能確定換型完成，發(fā)出可以繼續(xù)加工的指令。

　　 生產(chǎn)線通過自動控制及在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控下的人工調(diào)整來實現(xiàn)品種間的切換，生產(chǎn)線的品種切換可在15min內(nèi)完成，保證了FMS的高柔性化、高效率。

　　FMS應(yīng)用的注意事項

　　 FMS的使用對產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃及生產(chǎn)組織提出了更高的要求。根據(jù)使用經(jīng)驗，以下幾點應(yīng)引起注意：

　　1. 根據(jù)產(chǎn)品系列特點，決定是否選擇及選擇何種程度的柔性制造系統(tǒng)。當(dāng)生產(chǎn)綱領(lǐng)比較大（超過30萬），后續(xù)系列產(chǎn)品較少且產(chǎn)品比較穩(wěn)定時，不太合適選擇柔性系統(tǒng)。

　　2. 根據(jù)產(chǎn)品工藝特點，確定加工單元的分布，并選擇合適的物流運輸儲備方式。

　　3. 生產(chǎn)線產(chǎn)品差別較大時，為減少夾具更換時間，應(yīng)盡量采用備用托盤，更換時夾具和托盤一起更換，減少安裝及調(diào)整時間。

　　4. 在生產(chǎn)線規(guī)劃階段，要明確后期加工產(chǎn)品的范圍及材料，確定機床加工行程范圍、功率扭矩等的選型。

　　5. 由于生產(chǎn)線產(chǎn)品較多，產(chǎn)品的型號識別及防錯非常重要，產(chǎn)品設(shè)計及工藝規(guī)劃時應(yīng)考慮充分，否則會導(dǎo)致撞刀甚至損壞機床。

　　6. 柔性生產(chǎn)換型，主要是夾具和刀具及程序的更換。夾具主要考慮夾具的輪廓尺寸，機床和夾具液壓油路的接口及控制；當(dāng)批量小、品種較多時，可以考慮采用通用的組合夾具。刀具主要考慮刀柄接口形式，機床最大裝刀直徑及長度，合適的刀庫容量。設(shè)備上應(yīng)采用刀具壽命監(jiān)控、備用刀具自動選擇、刀具破損檢測及刀具扭矩監(jiān)控等裝置。

　　7. 針對發(fā)動機制造來說，柔性系統(tǒng)除了加工，還要考慮其他輔助設(shè)備，如試漏、清洗等，可以采用隨行夾具或多工位方式，通過型號識別，自動選擇加工工位，實現(xiàn)柔性化。

　　8. 生產(chǎn)部門應(yīng)合理組織生產(chǎn)，畢竟每次換型都會有加工效率的損失，包括首件檢測等。尤其是在需要更換或調(diào)整的情況下，時間的損失及加工精度風(fēng)險很大。

　　9. 由于后期產(chǎn)品擴充的需要，柔性制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng)應(yīng)選擇通用的開放式數(shù)控系統(tǒng)，整條線的控制系統(tǒng)應(yīng)盡量一致。

　　FMS的發(fā)展方向

　　 目前，F(xiàn)MS的控制技術(shù)已經(jīng)達到了較高的水平，集成化、標準化以及模塊化程度日益提高，自動化控制系統(tǒng)制造商以及用戶都根據(jù)實際運用不斷開發(fā)出新的平臺及控制軟件。

　　 FMS日后的發(fā)展重點在于對控制技術(shù)在生產(chǎn)線上的延伸，開發(fā)新的控制平臺，通過仿真、模擬以及高位的計算，實現(xiàn)自學(xué)習(xí)、自維護功能；在日常加工過程中，自動控制系統(tǒng)能夠自動檢測其運行狀態(tài)，自動調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)以達到最佳狀態(tài)，從而具備自組織、自安排的能力，真正實現(xiàn)高速、高效和全自動的柔性制造單元。

　　 FMS由于其產(chǎn)品適應(yīng)性強、產(chǎn)品換型迅速和設(shè)備重用性高等特點，順應(yīng)了當(dāng)前汽車行業(yè)產(chǎn)品多元化、產(chǎn)品生命周期短的特點和需求，其應(yīng)用日趨廣泛。另外，F(xiàn)MS還具有隨機加工能力和故障容忍能力強及加工方式和生產(chǎn)綱領(lǐng)柔性強的特點，特別是生產(chǎn)綱領(lǐng)的柔性，使得生產(chǎn)規(guī)?？梢苑制谥鸩教嵘?，降低了投資風(fēng)險。

　　 面對計算機技術(shù)、通信技術(shù)、檢測技術(shù)及傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，刀具芯片自動識別技術(shù)、模塊化夾具及機床的廣泛應(yīng)用，以及市場多元化需求的增加，F(xiàn)MS正在發(fā)揮越來越大的作用。

（轉(zhuǎn)載）