基于零点定位系统缩短数控机床停机时间.pdf

u n l l N 棚造业信息他 。 Ma n u T a c t u r l n I n T o r ma t l O n l Z a t l o n 基于零点定位系统缩短数控机床停机时间 陈思涛 温 良 中航工业成都飞机工业 集团 有限责任公司系统件厂 ， 四川 成都 6 1 0 0 9 2 摘要 结合公司的生产实际情况 ， 引入先进 的快速定位和柔性敏捷装夹技术 ， 研究设计一套通用夹具系 统， 直接安装于机床工作台上 ， 形成唯一的零基准 ， 无需再校正 ， 能够在 3 mi n内完成夹具的快速更 换 ， 实现工件的机外装夹 ， 减少机床 6 O ％ ～ 8 O ％的停机 时间， 使设备利用率达到最高点 ； 同时 ， 通过 夹具 系统的标准化接 口， 还可在不同加工类型的机床之间高精度、 高效率转换 ， 确保加工品质 ， 缩短 交货期 ， 提升飞机精密小件工件的高效敏捷装夹技术水平。 关键词 数控机床 ； 生产效率 ； 柔性装夹系统 ； 标准化接 口； 零点定位 中图分类号 V 1 9 文献标识码 B B a s e d o n z e r o p o i n t p o s i t i o n i n g s y s t e m t o s h o r t e n CNC ma c h i n e d o wn t i me CHEN S i t a o， W EN Li a n g S y s t e m P a r t s F a c t o r y ， A V I C C h e n g d u A i r c r a f t I n d u s t r i a l G r o u p C o ． ， L t d ． ， C h e n g d u 6 1 0 0 9 2 ， C H N Abs t r a c t I n c o mbi n a t i o n wi t h t h e p r a c t i c a l s i t u a t i o n o f t h e c o mp a n y， S p r o d u c t i o n，t h e i n t r o d u c t i o n o f a d v a nc e d r a p i d po s i t i o n i n g a n d fle x i b l e a g i l e c l a mp i n g t e c h n o l o g y，s t ud y a n d d e s i g n a s e t o f g e n e r a l f i x t u r e s y s t e rn ，di r e c t l y i n s t a l l e d o n t h e ma c h i n e t o o l wo r k t a b l e，f o r m t h e o nl y z e r o r e f e r e nc e，n o n e e d t o e o r r e e t i o n，c a n a c c o mp l i s h t h e fix t u r e r a p i d r e p l a c e me n t i n 3 mi n，r e a l i z e t h e c l o s e t o t h e c l a mp i n g p a rts，r e - d u c e d o wnt i me f o r 6 0％ ～8 0％ o f ma c h i n e t o o l ，t he e q ui p me n t ut i l i z a t i o n r a t e pe a k s；a t t h e s a me t i me， t h r o u g h t h e f i x t u r e s y s t e m s t a n d a r d i z e d i n t e r f a c e，a l s o c a n b e i n h i g h p r e c i s i o n，h i g h e f f i c i e n c y c o n v e r s i o n b e t we e n d i f f e r e n t p r o c e s s i n g t y p e s o f ma c h i n e t o o l s，t o e n s u r e t h e p r o c e s s i n g q u a l i t y，s h o rte n t h e d e l i v e ry t i me，i mp r o v e t h e p l a n e p r e c i s i o n e f f i c i e n t a g i l e c l a mp i n g t e c h n i q u e l e v e l o f s ma l l p a r t s ． Ke y wo r d s CNC ma c h i n e；p r o d uc t i o n e f f i c i e nc y；fle x i b l e c l a mp i n g s y s t e m ；s t a n da r di z e d i n t e r f a c e；z e r o p o i n t p o s i t i o n i n g 数字化制造技术 已经成为现代飞机结构零件制造 的主要手段 ， 数字化加工技术在飞机结构零件制造加 工中的应用十分广泛， 随着 C A D ／ C A M在航空新产 品 研制的大量应用 ， 约有 8 0 ％以上 的零部件实现了数控 加工 。而在数控加工 中程序调整 、 工装夹具准备 、 刀具 准备 、 工件检测等 占用的时间较多 ， 加工效率偏低。据 统计 ， 机床主轴运转 占用的时间与其他活动 占用 的时 间比例仅为 4 0 ％ ， 机床有效切削时间比例仅为 3 0 ％。 故提升数控机床生产效率的关键在于创造更多的机床 切削加工时间， 即缩短机 床的各类辅助时间。有 效缩 短各类辅助工序时间， 或者将辅助工序 内容转移到机 床的切削加工操作线外完成 已成为提升数控加工效能 的有效措施。 同时，随着公 司的快速发展 ， 近年来公司也在逐 步要求走入按需 生产模 式 。这给各 工件单 位 ， 特 别 是项 目繁多的飞机精密小件生产单位带来更大 的生 产加工与管理难 度。首先 ， 飞机 精密小 件具 有工件 加工节奏快 、 有效加工 时间短 、 工件换产及换装频 繁 的典型特点 。而T件换 产 、 换装 时间长 ， 换装 时问约 占机床加工 时间的 1 0 ％ ， 甚 至更高 ； 工件换 产 ， 平 均 一 次工件首件生产准备周期大 于 2 ． 5 h 。其次 ， 生产 现场工件工装调 整过程 的 自动化 水平 低 ， 更换机 床 夹具 时， 通常是靠人工完 成 ， 人工调整和装 夹过 程复 杂 、 费时 ， 严重影 响了机床 的有效加工 时间和加工质 量 的一 致 性 。 1 传统的数控加工生产流程 目前专业厂数控加 工 的工 件装 夹方式 ， 均是 采 用虎 钳 、 压 板 、 专 用 工 装 、自制 工 装 或 拼 装 夹 具 装 夹 。 传统的数控加工工件换产流程 机床停机一 拆卸 旧工装 专用工装 、 垫板 、 虎钳 一 准备垫板或虎钳 安 U砉I ； 0 Il 装 、 找正 一垫板 ， 根据 工艺要求在 垫板空隙位 置钻压 紧螺纹孔一按工艺要求装夹工件一机、 运行调整 ， 具体 流程 见 图 1 所 示 。 臣 匠 叵 叵[ E I 换 产 时 间 ．s ～ n 】 图1 数控加工工件换产流程 传统 的数控加工工件工序 内装夹流程 机床停机 一松开压板或虎钳 ， 取下 已加工好 的工件一重新装夹 工件毛坯 ， 压板压紧或虎钳夹紧一关机床门开机加工 工件 ， 具体流程见图 2所示 。 l 停 机 l I 清 洁 I[ l 测 量 l I加 工 l 安 装 ] I 拆 卸 I [二 二 m in I 换 装 时 间 5 ～ 8 l 图2工序内的数控加工零件换装流程 通过对数控加工生产流程的分析知 ， 工件加工前 ， 操作者需要停机实施生产准备 ， 在机床工作 台面上完 成定位 、 装夹、 调试 、 找正等操作 ， 带来数控机床停工 ， 停工时间取决于生产准备工作量及效率 。在设备停工 状态下 ， 工序内部生产准备时间较长 ， 首件加工准备包 括清理工作台、 安装工装 或 自制工装 、 找正原点 、 装 夹工件 、 对刀 、 复查调试程序等 ， 准备时间最长可达4 h 甚至更长 ， 最短 1 ． 5 h ， 平均约 3 h 。从 分析 中可 以看 出， 定位 、 装夹、 调试时间、 工件换产准备等时间是影响 机床停产时间的主要 因素 ， 缩短数控工序内部机床停 机时间可有效提高数控加工效率。 2 应用零点定位系统的高效换装 航空系统工件尺寸小 、 结构复杂 ， 往往一个工件需 要在多种类型机床上加工 ， 加工 的节奏快 ， 工件换产 、 换装频繁。随着本单位工件加工方式由普通常规加工 方式 向数控加工方式转化速度的加快以及公司新机型 研制速度 的加快 ， 致使专业厂 的数控加工效 能很 大程 度上决定着专业厂的生产任务交付完成率。为缩短各 类辅助工序时间， 提高数控加工效能， 我们研究探索各 等 ； u l0 年 帚 ll 朋 种方法 ， 如何能有效地将在机床工作台上 的装夹操作 转移 到工作 台外 ， 同时保证整体 装夹方便 以及精 度 可靠 。 为解决这一问题 ， 我单位投资采购 了快速装夹零 点定位系统 ， 一次性完成定位和装夹 ， 仅需约 3 mi n的 时间便可实现换装 、 换产。该设备关键在于能保证工 作台外工件装夹后 的位置精度关系能完整地转移到机 床工作台上 ， 有效转移机床切削加工中装 夹时间， 同 时能确保工装 的固定和拆卸操作快捷 、 工件加工过程 中装夹可靠 、 工装的维护简单以及成本性价 比高， 适用 于各类数控机床。 2 ． 1 零 点定 位 系统组成 包括 一套通用零点定位系统基座 图 3 ， 一个小 型液压泵 图 4 ， 以及用于连接工件 与零点工装基座 的过渡板 图 5 。 羹 _ 图3 零点定位系统 图4 液压泵 图5 装有定位接头 基座 的过渡板 2 ． 2工 作原理 如 图 6所示 ， 将具 有夹具 标 准接 口的零 点定位 系统精确地安装到 机床 的工作 台上 ， 定位 系统 中的 每个定位器的位置 相对机 床来说 都是确 定 的， 在安 装夹具 、 工件 ， 或者 编 写加 工程 序 进行 数 控加 工 时 可 以将任何一个定 位器作 为基准 点 ， 这也 就是所谓 的“ 零 点”， 这些“ 零 点” 不会 因为更换工装夹具或 者 更换工件而改 变。“ 零 点 ” 布局 如 图 7所示 。然后 依据基于坐标系 的空间平 移原理 ， 无 需进行 精度 找 正和工件夹紧 ， 安装完 毕后机 床可 以立刻进 行正 常 机械加工 ， 省 去 了传 统方 法 的调 试校 正 步骤 ， 从 而 实现工作台外工件装夹后 的位 置精度关 系能完整地 转移到工作 台上 ， 达 到工 件 加工 时 的精 确定 位 、 快 速换装 。 根据零点定位系统的工作原理可知 ， 将零点定位 系统 固定在机床工作 台上 ， 通过夹具 托盘将 工件 或 专用夹具 与零点定位系统连接 ， 实现快速换装 ， 而工 件的装夹压紧工作在机外便可完成 ， 见图 8所示 。其 中托盘的数量可以根据实际情况来定 ， 而对一些可以 直接加工工艺螺纹孔 的工件 ， 则不需要制造额外的托 盘 ， 直接将零点定位系统接头安装到工件上 ， 然后与零 点定位系统连接。 图6 零点定位系统工作原理 3 紧固定 位销 图7“ 零点”布置示意 图 图8 基于零点定位系统换模 操作流程 该系统还 可以整合 整 条生产线 的机床 ， 最 大地 发挥每 俞机床的潜能 。图 9所示为零点定位系统应 刚过程 。南于 每更 换 一 次装 夹 T件 的精 度 都 会 变 化 ， 所以一般在安排 生产 T艺时 丁程 师们都尽 量让 一 个T件在 同一 台机床 上加 T ， 不得不 安排 精加 机床进行 T件 的粗 加 造成 一种 隐形 的浪费 。通 过零点定位系统就 _ 】 T 以避 免这 种浪 费 ， 因为 可 以实 现 高精度 、 快 速 的 _ r件换 装 ， 1 二 程 师们 可 以放 心地 将粗』 J n ] 任务安排 到粗 加T机 床 ， 而让 精加] 机床 只 进 行 高 精 加 一 L 2 ． 3零点定位系统应用改进 通过在现场实际的操作应用 ， 发现装夹_T件需要 零点定位系统 的辅助 工装 ， 用于 定过渡 板 件， 以及多台机床之 间运输液压泵 辅助 l 『 J l 0 。 囤 囫 囤[ 亟 匝巫圃匝巫圃[ I l I l I l 零点定位托盘l I I 零点定位托盘2 ． 零点定位托盘3 零点 定稍 夹具 ‘ 压 零 点 定 位 准 夹 系 统 兰 零 点 定 位 采 页 荔 托 盘 图9 零点定位系统应用过程原 理图 3实施效果 图 1 0 辅助工装设计图 传统的装夹方法 ， T件换装时 ， 操作者需 卸 r 件 、 测越T件 、 安装压紧T件 等一 作 内容 时约 1 2 m i n ／ 次 ； 同时 ， 在进行换产时的生产冶 作者需要停机进行 ] 二 件加 ] 一 前的定位 、 装夹 、 紧、 找正原点 、 对刀等准备丁作 ， 平均约 1 ． 5 h 通过选取典型工件 ， 实施成组] J I - 12 方案， 』 定位系统对丁件进行线外装央， 程序加 1 原 I 零点定位 系统的一个基点上， 换装时 ， 真正 一 J 停机安装时间仅为丁件起 吊与再 次吊人时间 时 ， 真正 占用机床的停机安装时问仅 为零件 次吊人时问， 以及传输涮试程序 、 更换 々用 问。平均换装停机时间可 以控制 在 3 t | l i n内 机时 问 呵 以控 制在 1 0 rai n内 。 优化采用成组加‘ r， 通过零点定位系统 计加1 二 实例数据 ， 如表 1 及 l l 所示 ， 优化厉 机时间平均减少了 8 8 ． 8 2 ％左右。 下转 ； 图1 l速度切换部分P L c 程序 8 ． 6实例 中的 P L C程序 速度切换部分 P L C程序如图 1 1所示 。 8 ． 7实例 中相关参数设置 实例中相关参数设置见表 2 。 表2 实例中相关参数设置 4 0 1 5 } l o1 有主轴 定向功 能 4 0 1 5 } } 21 有输出切换控制 功能 4 0 1 4 3 0 进行基于动力线状态确认信号 R C H 的确认 4 0 l 9 4 0 与速度检测信号 S D T 无关地切换 D e s ig n a n d R e s e a 『C h 设计与研究 9 结语 F A N U C数控系统 中有很多特殊的功能 ， 其 中主轴 切换控制功能和速度切换控制功能是不太常用 的两个 功能 ， 但也是应用 比较复杂 的功能。在 国内的机床 中 这两个功能同时应用的比较少 ， 甚至没有 。 通过“ 主轴切换控制功能和速度切换控制功 能” 在卧式加工 中心上同时应用 的实际案例 ， 说 明了充分 合理应用数控系统的功能可以大大提高机床的加工精 度和加工范 围， 有效地改善机床的加工切削性能。在 数控机床设计中， 如果能够充分将数控系统功能 与机 械结构完美组合 ， 将会大大提高数控机床 的应用性能。 参考文献 [ 1 ] F AN U C a s e ri e s AC s e r v o a mp l i f e r d e s c r i p t io n s ma n u a l 6 5 1 6 2 E ／ 0 3 [ z] ． [ 2 ] F A NU C 1 6 ／ 1 6 0 ／ 1 8 ／ 1 8 0一Mo d e l b p a r a m e t e r m a n u a l 6 2 4 5 0 E ／ 0 2 [ z] ． [ 3 ] F A NU C AC s p i n d l e m o t o r a s e r i e s p a r a m e t e r m a n u al 6 5 1 6 0 E N ／ 0 2 [ z] ． [ 4 ] Y B M 9 0 0 N卧式坐标镗床使用说明书[ z] ． 第一作者 李惠贤， 女 ， 1 9 6 4年 生， 高级工程 师， 长 期从事数控机床电气设计、 调试等工作， 具有丰富的实 践经验， 已发表论文 5篇。 编辑刘文元 收稿 日期 2 0 1 5 0 31 8 竞章编筹 i 5 1 i i 4 如果您想发表对本文的看法， 请将囊章编号填入 读者意见调 壹表中的 相疲位 置。 上接 第4 2页 表 1 加工实例 数据统计表 m i n 优化前 优化后 优化前 优化后 换装时间 换装 时间 换产 时间 换产 时间 1 0 2 1 1 6件 1 O ． 5 2 ． 9 6 9 9 1 0 2 1 2 6件 1 O ． 3 2 ． 8 7 2 8 1 0 2 2 6 6件 l 1 ． 5 2 ． 9 6 3 8 1 0 2 2 8 6件 l O ． 8 3 7 3 9 1 0 5 9 6 4件 1 5 ． 6 3 2 1 6 1 2 平均时间 1 1 ． 7 4 2 ． 9 2 9 8 ． 6 9 ． 2 4 结 语 目前制造行业 中凡涉及切削加工 的， 机床 的投入 是实际生产加工的主要成本组成部分 ， 充分使用机床 的实际切削时间是有效提升机床生产效率的关键。通 过基于零点工装的数控机床工件快速装夹操作模式及 应用实例带来了一种新模 式的思考 ， 以便我们打开思 路 ， 寻求更多的方法来缩短或者取消不得不停下机床 而进行辅助操作的时间或者步骤 ， 从 而带来更多 的实 际生产效率。 1篙 1 U 0 牛 弟 l 朋 换装换 产平均停机 时间 l 优化前 吕 0 n l l _ l l l 曼 L 一 I ■l 优化前 l 圈 优化后 - 优化后 I ■ i 换装时间 i 换产时间 _ 优化前l I 1 ．7 4 l 9 8 6 优化后 2 ．9 2 l 9 ．2 换装换产总平均停机时 间 l 1 ． 3 4mil l 菇 I 嘲 一 l 2 l 2 mm 图1 1优化前后对比数据图 第一作者 陈思涛 ， 男， 1 9 8 3年 生， 助理工程师 ， 研 究方 向 为工业 工程 、 C A D ／ C A M 机械 加 工、 多轴 数控 加 工以及 高速加工等。 编辑 汪 艺 收稿日 期 2 0 1 5 0 5 1 2 文章编号； 1 5 H i t 如果您想发表对零文 的看法 请将文 章编雩 填入读者意见调查 寰中的 相应位置。 57 加 ∞ 鲫 ∞ ∞ 加 O