压缩机的自动化加工

图1：4个1组：在1台“VF-3”型4轴立式加
工中心上加工压缩机上的GG20挡块，采用
1套液压多功能夹具装夹，配有Haas自动化
公司提供的摇摆臂和坚固的支座。        自动化技术能够给人们带来乐趣：位于Flensburg的Danfoss压缩机公司决定开展一个新的项目，即采用基于机器人的独立制造岛。经过短暂的试生产后，这套使用4台立式加工中心和1台6轴机器人组建制造单元加工压缩机零部件系统正开足马力，全力生产。
        随着对生产效率的控制逐步加强，无论是小公司还是大集团下属部门的生产流程也越来越困难。合理安排的项目与此完全不同：第一位的是实用性及偶尔的专业性，第二位的才是完善的计划和设计。
        硕士工程师Stefan Rux先生（图2）是位于Flensburg的Danfoss压缩机公司的生产规划员，Danfoss压缩机公司是Danfoss集团的子公司，该集团来自丹麦，拥有23000名员工，在25个国家设有70家工厂。除了实现集团在质量及生产效率方面的目标，Rux先生正在努力实施一个具体项目，使得在小组的框架下完成压缩机的批量生产。 图3：较小的尺寸波动及延迟：采用了
常规的夹紧方式，即用气动扳手将压
缩机挡块固定在1台16级夹具上。

        一周生产一万七千台压缩机
        在Flensburg，制冷设备中常用的压缩机的核心零部件，诸如挡块、活塞以及曲轴均由Danfoss公司自行购买原材料并自行加工；然后在流水线上装配其他外购零部件。上世纪90年代的生产能力约为每周几百件；而到2007年，季节性的生产能力在每周13000件至17000件之间浮动。
        
        批量状态下，GG20挡块（图1、图5）装夹在液压16级夹具上，由18工位的加工中心完成加工（图3）。随着日益增长的生产任务，生产方式从1台机床发展为2006年的4台机床。同时，借助于多级夹具以及转位式刀片的应用，生产辅助时间相应减少；但是，这样的生产方式也存在严重的弱点：需要大量的人员参与，切削精度受到限制以及受尺寸精度影响的流程安全性。
        2006年该公司的生产能力已接近极限，Stefan Rux先生作出了一个决定：“在整个Danfoss集团内部出现了2种态度来审视用于产能扩张的方案：一种是针对不同的自动化方案进行投票，另一种是用6西格玛的方法以挑剔的眼光审视流程参数。同时，Cpk（Complex Process Capability index，过程能力指数）应大于1.33。因此，针对每一种零部件均需要定义相应的CTQs（Critical-To-Quality， 品质关键点）。这些数据后面隐藏的是非常重要的质量参数，必须严格监控并加以记录。”

图2：Haas制造单元活动的主要成员：
Torsten Mensing工长、机器装配工Holger
Ingwersen先生、生产规划员Stefan Rux
（三者均为Danfoss压缩机公司员工），以
及Haas机床区域经销商HFO Microcut公司
的经理Dietmar Vedder先生（左起）。

        选用双主轴的加工中心还是机器人组合？
        经常被提到的一种解决方案是采用带有德国生产商提供的液压夹具的双主轴技术。然而，这种方案的投资额远远大于预算值 ；同时需要协调两根主轴的相对尺寸，使其保持在很小的公差带中，日常生产中可比较困难。因此需要一种自动化制造单元的详细方案：结合液压夹具和机器人搬运技术（图4），这项技术已在集团位于Nordburg的姐妹公司中成功应用。对Nordburg公司的参观给人们留下十分深刻的印象。
        
        Flensburg人在寻找合适的加工中心时想到了Haas自动化公司。Haas区域经销商Microcut公司多年来一直为Danfoss压缩机公司提供各式各样的美国机床，并协助成功应用。位于Upahl附近的Haas工厂直销中心Microcut公司的总经理Dietmar Vedder先生（图2）对项目内容进行了如下总结：“为了实现班产570件挡块的产量目标，我们根据机床的尺寸设计了1套4级夹具。考虑到切削范围，我们决定使用VF-3型的4轴立式加工中心。摇摆臂和坚固的支座能够保证较高的稳定性，并且为沉重的夹具和较高的切削力提供足够的支撑。最后我们制定了机床的各种功能尺寸：在钻削汽缸套时，曲轴孔的垂直度达到了5% ；孔自身的尺寸误差也控制在3毫米以内。如需获得较好的表面质量而进行珩磨时，Haas公司的加工中心也能够提供相应的尺寸基础。”nextpage

图4：自动化流程：Motoman公司提供的6
轴机器人从传送带上抓取4个压缩机挡块，
1台4级液压夹具能够保证较高的重复精度。

        从0到100——弹指一挥间
        接下来，位于Flensburg的夹具制造商Maro公司需要为这2台Haas加工中心以及1台搬运机器人组成的制造单元设计一套总体方案。Maro公司能够提供Motoman机器人、液压卡规、输送带、装配带以及容器。Haas公司需要提供2台VF-3型立式加工中心以及针对不同类型压缩机挡块开发的相应数控程序。其他还包括对机床进行小规模的改进，例如自动门、切屑输送器、与机器人的接口以及用于碰撞预警的位置探测系统。其他方面的优化还包括换装了更大容量的刀库。Danfoss公司的专家负责挑选合适的刀具。
        安装工作于2006年6月开始。Danfoss公司负责压缩机生产及装配的工长Torsten Mensing先生（图2）对起步阶段总结道：“由于我们继续生产零部件，因此我们原本只安排了2到3周时间进行改造和调试。机器人的调试以及更换零件时4级夹具的调试显得尤为棘手。我们设计了一种调节支架，可以根据弹簧压力调节夹具的正确位置。那年夏天，整套系统运行正常。就机床而言，已经达到了即插即用的程度。调试完成后的第一个星期由于同时还要进行操作培训，因此实际产量比预期略低。到目前为止，我们实现了近90%的单台设备效率，这一点使我们倍受尊敬。另外，只要我们需要Haas公司提供服务，我们就可以得到世界级的服务品质。”

图5：切削加工之后的压缩机挡块：
全部孔径、螺纹、凹槽以及阀体表
面均由1台Haas立式加工中心完成。

        扩展与优化
        与之前的自动化方案相比，这套方案的自动化程度更高，投资规模更低；同时由于工件的切削加工时间缩短，流程时间也相应得到了延长。Stefan Rux先生这对Haas自动化公司的机床产品总结道：“Haas产品的性价比从未失败。”这套方案的另一大优势在于扩展的灵活性。如果从2台VF-3型机床扩展为4台，机器人需要重新对Haas加工中心的4根进给导轨进行识别（图6）。如果需要提高加工能力，那么可以再配备1台完全相同的加工中心。这种扩展方案比较适用于目前的经济状况以及逐步下降的加工批量。
        此外，还可以采用独立的优化方案。Stefan Rux先生说：“我们目前正在验证利用Haas机床是否可以采用滚压珩磨工艺提高2种孔径的表面质量。活塞直接在铸件当中往复运动，并与铸件保持密封。我们可以将流程缩短。我们已在Haas加工中心上实施了这一步骤，并取得了进展；此后，我们的经验还将推广至集团的其他工厂。”

图6：Haas制造单元：搬运机器人安
放在导轨上，除了服务于图2中显示
的2台机床外，还可以为镜像布置
的、进给轨道在右侧的机床服务。

        用户简介：
        位于Flensburg的Danfoss压缩机有限公司主要生产用于家用电器以及商用领域冷却设备的压缩机。Flensburg工厂建于1956年，目前是位于丹麦Nordborg的Danfoss集团的全资子公司。该工厂主要配备了模块化、高自动化程度的机床和装配线大规模生产各种型号和规格的压缩机，年产量可达几百万台。截止2008年年底，该工厂拥有近1000名员工。