伺服电动机转轴智能生产线设计

■ 广州数控设备有限公司 （广东 510165） 邵国安

广州数控设备有限公司根据生产情况，结合公司现有设备等资源，设计转轴智能化生产线。生产线集成了自动给料装置、数控车床、数控铣端面打中心孔机床、六关节工业机器人、可储物料自动输送线和钻削中心，解决市场上应用广泛的4N·m至10N·m伺服电动机转轴智能化加工，起到了引领行业示范、促进制造业水平提升的作用。

1.转轴智能生产线搭建基础

（1）工艺路线。图1所示为伺服电动机典型零件图，材料为SG45；毛坯选用φ28mm和φ34mm的6m棒料。采用非调质料SG45，下料长度尺寸公差3～4mm；铣端面、钻中心孔采用专机完成，精车之前外圆尺寸留0.3～0.5mm余量，精车采用高精度数控车床，铁芯位、轴伸位和密封位车至尺寸，轴承位留0.08～0.1mm余量。左右两端轴承位采用高精密外圆磨床MGK1312A一次完成磨削，锥度位采用高精密外圆磨床MGK1312A磨削。

（2）加工设备。根据公司生产特点，生产线解决110SJT到130SJT转轴自动化加工。加工工序从铣端面、打中心孔到精车共5个工序。具体如附表所示。

（3）加工分析。铣端面、钻中心孔（见图2）：机床两端刀盘各装10个刀粒，右端中心钻装套车刀座。在加工中心孔时，同时把下工序的外圆定位基准加工出来。此工序的程序主要参数为铣端面S1000，F220，切深2；钻S1000，F40。

激光端部打标（如图3）：二维码采用激光打在轴伸端面上，以便零件后续的检测、识别和信息追溯。

车轴伸：加工时用2把刀（2把备用尖刀，12把备用外圆刀）。1把为55°菱形尖刀，用来切砂轮越程槽；1把为80°菱形外圆车刀。为平衡工序，外圆车刀也车削铁芯位部分，参数为S1200，F200，切深3。如图4所示。

图1 伺服电动机典型零件

智能生产线加工工序表

车铁芯位：加工方法与车轴伸类似，55°菱形尖刀用来切轴承位的砂轮越程槽，如图5所示。

在线检测：两端中心孔拍照检测。机器人抓取工件在摄像机镜头下拍照检验，再放入两顶尖间，外圆特征采用接触式检测。如图6所示。

钻孔攻螺纹：加工M4螺纹孔时用3把刀（锪孔备用5把，钻底孔备用5把，1把丝锥备刀）。如图7所示，采用微量润滑对丝锥进行润滑，采用气动卡盘位工装夹紧工件。φ4.3mm钻头锪孔，φ3.66mm钻头钻M4底孔，M4-6HX挤压丝锥攻螺纹。参数为S1200，F50。

精车转轴（密封位、轴伸位和铁芯位以车代磨）：加工时用5把刀，2把为右偏刀，第1把用来粗车铁芯位导向部分；第2把切右轴承位和铁芯位，主切削参数S2700，F240，至尺寸。3把左偏刀，第3把粗车轴伸位和密封位、轴承位，第4把精车轴伸位，主要切削参数S3000，F150，至尺寸。第5把精车密封位至尺寸。如图8所示。

精车后的外圆检测和粗车后的检验相同，只是设备的检验精度提高到μm级。

2.伺服电动机转轴智能生产线设计

（1）设计指标。产能：（400～480）件/8h；产品：110SJT-4N·m～130SJT-10N·m转轴；产品合格率：99.98%；生产线故障率：150h无故障；设计寿命：10年；操作人员：1名（两条线）；使用场地：5.2m×21m×3m/条；可视化要求：设备远程监控、诊断和保养提醒，产品加工状况和质量数据上传公司服务器。

图2 铣端面、钻中心孔

图3 端面打标

图4 车轴伸

图5 车铁芯位、轴承位等

（2）设计流程。在此案例中，新增设备打标机、转轴检测设备、机器人、输送线和工装夹具等，其他设备已有；采用AutoCAD和Solidoworks为设计工具，并将生产线的设备三维化，对关键部分进行有限元分析；检测干涉，模拟运行；工装夹具制造由厂外专业加工厂完成，安装调试由项目组成员完成。流程如图9所示。

（3）生产线布局。为提高机器人利用率，机床布局采用双线布局，也就是每一工序都采用2台机床加工，如图10所示。

生产线包含2台铣端面打中心孔机床、4台粗车车床、2台加工中心、2台精车机床、7台6关节8kg机器人、1台打标机、2台检测设备、4条输送线、2台料仓（毛坯和成品）及1套生产线控制系统。结合实际情况，精密磨削暂不放入生产线设计中。

（4）生产线料仓等简介。毛坯料仓库采用分度盘分料，分料准确，气缸推紧定位；一次可存储150件；分度速度30°/s；运行平稳。转轴输送线采用链条板式结构，V形块定位，链条传动；伺服电动机加减速机驱动；运行速度15m/min，运行平稳；手爪采用双手爪结构，一个手爪抓取未加工的转轴，另外一个抓取加工后的转轴，取放高效。

在每台机器人上除了装手爪以外，都装了清理工件铁屑的空气喷嘴，利用6关节工业机器人的柔性，对工件、机床上的工装夹具进行清理。其中与铣端面、钻中心孔和加工中心机床对应的机器人，装有激光传感器，用于检测中心钻、钻头和丝锥的折断。成品料仓采用分隔工件结构，避免加工完的工件接触碰伤。一次可以放75件。

（5）生产线控制。采用广州数控开发的FCS1000生产线控制系统，实现车间级设备组线。设备之间采用GSK-Link总线通信，GSK-Link高速现场总线是以百兆以太网的物理层芯片为通信载体，用FPGA实现工业控制专用的MAC控制器来满足高速现场总线的要求，车间组网采用支持GSKLink通信总线的控制设备，如图11所示。

毛坯件供给和半成品自动传送，工序间零件自动周转，并可存储一定量的半成品，以便异常情况出现时，不影响后工序生产；具有自动检测关键尺寸、自动刀具补偿功能；故障提示报警；具备远程监控，连接MES、ERP系统；切换不同型号零件时，工装夹具能快速切换，程序切换便捷。

图6 特征检验

图7 M4螺纹孔加工

图8 精车转轴

图9 生产线设计流程

（6）生产线刀补控制。通过二维码识别机床加工情况，可追溯到对应的加工机床，对应机床的刀位号，当加工尺寸偏离系统设置刀补范围，可自动进行刀补；并且系统有刀具寿命管理功能，在刀具寿命到期时，自动切换到备用刀具，如图12所示。现刀库容量可保证8h自动刀补。

（7）生产线应用情况。生产线如图13所示，于2012年7月全面投入使用，到目前还在稳定运行着，为公司生产约90万根转轴。毛坯及成品如图14所示。

3.结语

伺服电动机的转轴生产由原来10人降至1人，生产效率提高了30%，产品一次合格率提高了10%。最早建立的转轴生产线到目前运行了5年多，安全、稳定且故障率低。经过长期的运行，验证了现阶段技术可行。经过不断优化，各细节改进，转轴智能生产线可长期不间断稳定运行。

不足之处：生产线的设备线缆铺于地面，给维修带来不便；其次车间温度差对工件的尺寸稳定性有不利影响；生产中产生的铁屑需要集中粉碎、脱油和压块处理。

转轴智能生产线的设计首先要让生产工艺便于自动化生产，选择稳定性好、精度高的机床作为生产线的主体；再设计相对应气动或液压的工装夹具、料仓和输送线等作为配套；并选择稳定性好的生产线控制系统保证生产线顺利进行。

转轴智能生产线的设计可推广到伺服电动机其他零部件的自动加工。可建立车间级小型立体仓库，使伺服电动机的转轴、前端盖、后端盖、机壳生产线与立体仓库连接起来；使用AGV周转物料；降低刀具磨损及自动切换频率，使生产线大于48h智能化生产。

图10 生产线布局

图11 生产线电气控制

图12 生产线实时刀补控制

图13 生产线实拍

图14 毛坯及成品