曲轴的跟踪磨削

路边

道依茨发动机是以其出色的动力性能而闻名於全球，它所生产的排量为4至7升空载转矩的柴油机被广泛应用于工程机械，运输汽车和载货车等领域。为了解决在这些领域里稳定的高需求，在去年道依茨对曲轴生产线进行了优化，将生产线从450m缩短到150m。此时，加工时间降低了35%，材料库存降低30%。道依茨负责曲轴和凸轮轴机械加工的领导Hemut Verbocket强调说：“安装Naxos集团的新的曲轴磨削中心是最重要的举措之一，” 在曲轴加工中时间节省的很大部分最终要记在新的Naxos机床账上：过去轴颈的磨削时间平均要25分钟，而目前只需5分钟。新设备按三班制运行，设计的曲轴年产量为63000件。

每年频繁交替加工63000多根4缸和6 缸 不同型号
发动机的曲轴——加工时毋需作任何调整，每个磨削工位
和龙门式上料装置的Sinumerik控制系统操纵整个机床

Naxos集团（目前是享有盛誉的Emag集团的成员）像道依茨一样已有一百多年的历史，传统精通磨削工艺，长期以来是载重汽车曲轴加工的市场主导者。即使现在，在道依茨仍有6台超役的Naxos机床在使用，这绝不是偶然的事。像这些机床一样，新的跟踪磨削中心也是为超过汽车工业中通常为6年的使用期而设计的。“但是磨削中心不应只是为了能较长时间的使用，而首先应是高的利用率。” Alexander Haas工程师（图2）强调说，这位项目领导认为这是道依茨公司购置设备的重要准则。“如果设备很快就失灵，我们早就另选别的曲轴磨床了。通过选择技术高度集成的磨削中心，就不会有这样的事发生。”因此，就磨床而言，Naxos磨削中心提供了应急对策。

道依茨公司的Alexander Haas(左)
和Naxos集团的Heino Claussen-Markefka之间进行密切协商,
对道依茨如此重要的购置设备的准则所取得的大量成果作出了贡献

道依茨发动机厂使用的新的曲轴磨削中心是由两台双磨头往复摆动的磨床组成. 磨床通过各能储存10根曲轴的上料传送带和下料传送带进行供料. 由一台宽度超过35m、足够跨越所有工位的龙门式上料装置把曲轴传送给磨床和除油装置, 并通过龙门式上料装置把所有设备联接成一个加工单元。

磨削中心的两台CBN砂轮磨床, 各有两个往复摆动的磨头，磨削速率各达到120m/s. 正常工作时, 磨床各自分别磨削不同类型的曲轴轴颈, 龙门式上料装置在几秒钟的时间内把曲轴传送到后续加工工位的自动装夹装置上. 对于样件生产或当两台磨床中有一台机床停机时，每一个磨削工位可以单独使用. 编程在机床控制系统软件中的安全功能可以按动按钮开关就能实现磨削工位的单独运行, 而无需装设机械安全装置，要不然切断其连接看来是不可缺少的。

设备具有高柔性和高生产能力

“我们对Naxos的解决办法特别感到满意，是因为设备具有高的柔性和高的生产能力。在这样的设备上，我们基本上可以加工总长达1200mm的任意一种曲轴，并且在机床上工件的装夹长度可扩大到1500mm”，道依茨的项目领导Haas指出了跟踪磨削中心所提供的技术性能。对于道依茨发动机系列，四种最重要的曲轴型号是BF4/6M2012/ 2013和 CD2012L4/62/ 4V，在目前，所有品种的工件可同时存放到机床上，机床能自动识别这些曲轴并对它们进行加工。在更换不同型号的曲轴时，看来不需要作任何一次的手动校准、重新调整或进行参数化（图3）。在磨削中心上不仅磨削主轴颈、连杆颈和止推轴承面（连同磨削其轴肩），而且还磨削曲轴的前后端轴颈。由于Naxos机床可以在同一个工序过程中磨削曲轴前后端轴颈，使用户省了一台单独用于磨削曲轴前后端轴颈的磨床，从而节省了百万元投资，并且对于每一个曲轴，还节省了工件传送和重新装夹的辅助时间。

无论是4缸还是6缸：在毛坯传送带上
（图的右边）可以按任意的顺序给磨床供给曲轴，
毋须操作人员进行重新调整

由于跟踪磨削设备有很高的柔性，对于道依茨公司来说，对应付发动机未来的挑战看来也是一种很好的装备。对于发动机，人们已经注意到由欧Ⅲ和欧Ⅳ排放性能而导致进一步加严排放标准，这也就需要十分苛求的设计，并在曲轴制造中要求更高的精度。

三班制运行和工厂内部的维护

由于生产低、中等马力的柴油机，对道依茨十分重要，因此，跟踪磨削设备的维修保养必须要非常简单。工厂的机床维修部门能自己掌握排除所有故障的必要措施。“实现这个任务的前提条件是，我们的维修人员要对投入使用的自动化设备很熟悉。”项目领导Haas把这个问题作为对机床制造厂的重要约定之一。“在那个时期，Naxos可能没有提供具有必要性能的Siemens控制系统，因而在对我们如此重要的设备上没有可信赖的控制系统。”因此，Naxos集团曾不得不涉足新的领域。

装有标准控制系统和集成安全性技术的高端设备

从控制技术和调节技术上看，跟踪磨削是一种技术要求很高的加工工艺。鉴于必要的CPU效率，迄今采用的是没有集成可靠性功能的控制系统，不然就得采用专门的解决方案，以便使上吨重的磨头按照三个叠加的三角函数以必要的性能和超微米的精度来实现摆动运动。“这使我们对装有Simumerik-NCU573.2这种高端机床实现新的全盘自动化的不寻常任务特别感到兴趣，指望在这种功能范围内也可以利用集成的安全性技术——安全集成”，Naxos公司的技术和销售领导Heino Claussen-Markefka回忆说。通过安全集成对敷设35m长电缆的设备不仅很简单，而且费用也较低。此外，实现维护、调整和维修要比采用单独的安全性控制简单得多。因此，尽管磨削技术中心功能很复杂，道依茨的维修部门还是发现这是一个精细和层次分明的自动化结构。“由于安全集成，我们可以使操作人员十分简单地单独使用两个磨削工位——按动按钮，而不需要机械联锁。“

对于“最苛刻的情况”有足够的计算效率

这个关系到公司威望的应用项目的规划，得到了西门子公司的全力支持。即使在工艺要求转化为机床控制系统的过程中，西门子在Erlagen技术支持中心的数控专家对该项的实施进行了协助。鉴于所要求的性能，西门子把目前Sinumerik数控家族中性能最强的控制系统NCU573.5应用于设备的磨削工位上（图4）。对于要求如此苛刻的应用情况，系统载荷的全面测量显然是必要的。因为，只有以足够高的计算效率随时应付“最坏情况”时，才能使设备可靠进行生产，不出废品。对于这样一个要求十分苛刻的控制任务，NCU573.5即使具有了集成的安全性功能，还具有如次大的性能储备，这确实使所有参与者感到惊奇。“这表明，今天真正的挑战是在驱动调节方面。”借助于西门子Erlagen总部的机电专家们的帮助，使存在于结构和驱动技术方面的关键问题（因为它严重限制了效率）十分迅速地得到了验证，并对此进行了优化。“迄今，对于往复摆动轴，增益系数KV的微调肯定是绝对没有把握，也就是说，因为情况是很极端，对于轴停在一个位置和对于轴的移动必须要有各自的增益系数KV。目前，通过Sinumerik数控系统和Simodrive-611-变频器的组合，即使是轴具有特别高的动态性能，每个轴只要唯一的增益系数KV也就能满足了，就象标准应用那样。就是说，现在我们用不着不断的对整个参数进行转换并且在调试时也用不着对往复摆动轴的调节器进行两次优化”Claussen-Markefka这样说。

通过采用Sinumerik的尖端模块 NCU573.5，
即使对控制技术有苛刻要求的工艺也可采用
安全集成—跟踪磨削就属于这类加工工艺，
道依茨的维修部门从自动化装置层次
分明的布局中得到了好处

层次分明的自动化结构保证了生产的可靠性

在选择机床供应商时，过去是现在还是要把通过本企业内部现有的技术知识来进行自动化设备的维护考虑进去，这对道依茨的发动机生产是十分重要的。在这里，除了有一个可信赖的控制系统外，特别还需要有一个层次分明的自动化结构，这对于工艺上要求很高的应用情况恰恰是需要这样。装有安全集成的Sinumerik数控方案产生一个比采用单独的安全性控制或采用所有专门的解决方案更为精简和层次分明的自动化结构。这对机床的设计、敷设电缆以及软件和通讯结构产生了有益影响，并且同时改善了生产设备的维护和诊断品质。对于机床制造厂家来说，通过安全集成功能（如可靠的减速、可靠的制动加速度，即使在悬吊负载或交变负载作用下也能可靠停机。）就可以从机床控制方面借助于驱动功能来帮助解决潜在的一些危险的维护工作，这种维护相当于3类安全性要求。自从提供Sinumerik尖端模块NCU573.5以来，对控制技术有苛刻要求的生产工艺，也就可以采用安全集成。如道依茨在Koln使用的新的Naxos往复摆动磨削设备所证实的那样。目前，Naxos集团可以提供装有西门子自动化装置、驱动装置和电动机的机床全系列产品。通过本项目进一步认识到：“在将来，我们将尽早利用机电一体化技术的支持。通过特别精确的模拟,在很短的时间里来指明结构或驱动技术可以进行优化或必须进行优化的地方。根据我们的经验，对于所有的参与者来说这样的投资在机床验收前就能获得实惠。”

跟踪磨削(往复摆动磨削)

根据加工原理,曲轴的主轴颈和连杆颈可以有不同的回转中心. 对于磨削与曲轴主轴颈有一个偏心距的连杆颈滑动表面,有两种方法：一种常规的工艺是, 曲轴以正要加工的连杆颈进行定心装夹. 在磨削连杆颈时, 砂轮仍然可以按照像磨削主轴颈那样的工作原理进行磨削。简单地说, 砂轮作直线移动移向所要加工的连杆颈的外径. 这种加工工艺, 对控制和调节的要求不高. 但是, 缺点是曲轴需要在不同的位置上进行精确找正, 一次是对主轴颈进行找正, 然后一次是对每个连杆颈进行找正.这些找正需要花费较多的时间。

与常规磨削工艺不同的是跟踪磨削工艺，曲轴始终是以主轴颈的轴心线进行定心装夹。当磨削曲轴连杆颈时，砂轮跟踪连杆颈的表面作往复摆动。这种工艺原则上是合理的，但是，对整个驱动技术和机械传动有特殊的要求。上吨重的磨头在以秒计的节拍内必须跟踪一个复杂的、在最简单的情况下由三个叠加的三角函数决定的轨迹——磨头通过附加的磨削运动按预先设定的轨迹以超微米精度的准确性接近轴颈的给定轮廓。因此，对于跟踪磨削来说，磨头采用静压支承和对整个设备的环境进行温度调控是一种基本要求。这种工艺会造成较高的技术费用，当使用这种磨削工艺时，会由于短的加工时间、较高的加工精度和较高的柔性而得到回报。