本文簡(jiǎn)要介紹了精鏜自動(dòng)補(bǔ)償這一在現(xiàn)代汽車制造業(yè)有著成功應(yīng)用的控制技術(shù)，并以發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔加工為例，根據(jù)對(duì)國內(nèi)主流汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠實(shí)際應(yīng)用情況的調(diào)研，分析了企業(yè)在規(guī)劃該工序時(shí)做出的不同工藝選擇。文章還結(jié)合實(shí)例，介紹了典型的補(bǔ)償模式。
1精鏜自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)
（1）概述
精鏜自動(dòng)補(bǔ)償是一項(xiàng)已誕生多年的成熟技術(shù)，是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中被稱為“自動(dòng)補(bǔ)調(diào)”的控制技術(shù)中十分重要且很有代表性的一種。在發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零部件，如缸體、連桿等的孔加工中得到了較為廣泛的應(yīng)用。以缸體加工為例，缸孔的精鏜是最重要的工序之一，涉及的尺寸精度和形位誤差將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量。而實(shí)際使用效果表明，若在精鏜工序中增加自動(dòng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，就能顯著提高該工序的運(yùn)行質(zhì)量，主要反映在以下幾方面：
①由于自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)可以補(bǔ)償?shù)毒吣p以及溫度和其它不穩(wěn)定因素的影響，且切削刃的補(bǔ)償量能達(dá)到1μm，故改善、提高工件質(zhì)量的效果明顯。
②可以減少調(diào)刀次數(shù)，提高工序效率（尤其是在將半精鏜與精鏜結(jié)合在同一工序里時(shí)）。
③通過改善機(jī)床性能，可將普通機(jī)床升級(jí)為精密機(jī)床。
（2）精鏜自動(dòng)補(bǔ)償功能的實(shí)現(xiàn)
自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)由隨機(jī)檢測(cè)、（信號(hào)）反饋補(bǔ)償和具有微調(diào)功能的鏜頭等三部分組成。在發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件中，除了缸體外，在連桿加工中應(yīng)用鏜孔自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)也較多，但補(bǔ)償原理和系統(tǒng)組成是完全相同的。其工作循環(huán)為：鏜刀在加工孔后退出，由電子塞規(guī)（測(cè)頭）對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量；然后測(cè)頭退出，檢測(cè)信息送入測(cè)量?jī)x，經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換后送到補(bǔ)償控制單元，在其中進(jìn)行運(yùn)算后，做出相應(yīng)的判斷，若需要實(shí)施補(bǔ)償，就向補(bǔ)償執(zhí)行器發(fā)出相應(yīng)的指令；補(bǔ)償執(zhí)行器可以有不同的形式，圖1所示為伺服電機(jī)，此時(shí)需通過連軸器轉(zhuǎn)換為拉桿的軸向移動(dòng)，有時(shí)還需要配以冷卻液供應(yīng)裝置；最后，由拉桿產(chǎn)生位移，并通過具有微調(diào)功能的鏜頭（刀）引起鏜刀切削刃（刀尖）的徑向位移，從而完成鏜孔過程中刀具的自動(dòng)補(bǔ)償。
在組成系統(tǒng)的三要素中，由測(cè)頭/電子塞規(guī)與測(cè)量?jī)x組成的隨機(jī)檢測(cè)部分其實(shí)與常用的線外檢測(cè)裝置相同。而在組成（信號(hào)）反饋補(bǔ)償系統(tǒng)的控制器、執(zhí)行單元和輔助部件中，控制器已經(jīng)產(chǎn)品化，一般由隨機(jī)檢測(cè)的供應(yīng)廠商配套提供，當(dāng)采用伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，還要配置驅(qū)動(dòng)電源。著名的量?jī)x公司MARPOSS就采用這種方式與機(jī)床廠合作，以滿足用戶需要。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)廠規(guī)劃人員做出的缸孔精鏜自動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓に囘x擇中，除了補(bǔ)償?shù)膱?zhí)行方式外，系統(tǒng)三要素中的最后一個(gè)要素——具有微調(diào)功能的鏜頭（刀）的選擇就顯得尤為重要。必須指出，近年來，上述系統(tǒng)中的測(cè)量?jī)x和補(bǔ)償控制單元已經(jīng)一體化，為通用的、以工控機(jī)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量系統(tǒng)所取代（如MARPOSS公司的E9066產(chǎn)品）。
迄今，在精鏜補(bǔ)償系統(tǒng)中，采用斜楔機(jī)構(gòu)的微調(diào)鏜刀所占比例仍然最大，雖然實(shí)際應(yīng)用中的刀具在具體結(jié)構(gòu)上會(huì)有一些差異，乃至拉桿的驅(qū)動(dòng)方式也完全不同，但其基本工作原理均相同。此類鏜刀如圖2所示。從圖中可見，其中部的拉桿的前端有一角度很小的斜楔，與斜楔緊密接觸的是一杠桿上部的短柱，而精鏜刀片就安裝在杠桿下部的前端。這樣，當(dāng)拉桿前后移動(dòng)時(shí)，就會(huì)引起刀尖的微小徑向位移。依據(jù)知悉的斜楔角度和杠桿比，就能建立拉桿的軸向位移量與刀尖徑向位移之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)量化的刀具微調(diào)。
（3）精鏜自動(dòng)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償模式
但是，經(jīng)由隨機(jī)檢測(cè)后輸出的測(cè)量信息，又是如何轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的補(bǔ)償指令，并確定刀尖徑向位移量的呢？這是通過控制單元（補(bǔ)償控制器）對(duì)檢測(cè)結(jié)果的運(yùn)算、處理，并作出相應(yīng)判斷后向驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)出指令來實(shí)現(xiàn)的。只是運(yùn)算、處理的模式（即執(zhí)行補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型）必須由用戶的工藝部門、質(zhì)量部門根據(jù)自身情況來決定。
當(dāng)然，也有一些發(fā)動(dòng)機(jī)廠采用更為簡(jiǎn)單的補(bǔ)償模式，如在某一生產(chǎn)批量很大的缸體生產(chǎn)線上，缸孔精鏜采取“強(qiáng)制補(bǔ)償”方式，具體做法是：精鏜刀片每加工10個(gè)孔，就自動(dòng)補(bǔ)償?shù)毒吣p量1μm。
以上介紹的精鏜補(bǔ)償系統(tǒng)是一種閉環(huán)控制的反饋?zhàn)詣?dòng)補(bǔ)償，但實(shí)際上在汽車、柴油機(jī)等行業(yè)，真正用于缸孔精鏜工序時(shí)，還有手動(dòng)調(diào)整/補(bǔ)償?shù)哪Ｊ剑疫@種情況不僅存在于國內(nèi)早期建成的發(fā)動(dòng)機(jī)廠，至今還在一些企業(yè)得到應(yīng)用。建成于上世紀(jì)80年代末的上海大眾發(fā)動(dòng)機(jī)一廠是國內(nèi)最先投產(chǎn)的現(xiàn)代化汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠之一，其缸體生產(chǎn)線是一條全部由組合/專用機(jī)床構(gòu)成的剛性自動(dòng)線，其中的缸孔精鏜工序就采用手動(dòng)補(bǔ)償。奇瑞汽車發(fā)動(dòng)機(jī)一廠的一條缸體“剛性”生產(chǎn)線在缸孔加工中也采用了相似的方式。但這并非只是企業(yè)早期的一種工藝選擇，知名的民營(yíng)企業(yè)吉利汽車公司近幾年建成的3條缸體生產(chǎn)線的缸孔鏜削工序中都具有精鏜補(bǔ)償功能，只是均為“開環(huán)”的手動(dòng)控制。然而，即使都是“手動(dòng)”控制，在具體做法上也存在差異。在上海大眾發(fā)動(dòng)機(jī)一廠的缸體線中，相對(duì)于圖3所示的系統(tǒng)組成，其實(shí)只少了驅(qū)動(dòng)裝置c。在自動(dòng)線中，用于全檢的隨機(jī)檢測(cè)量?jī)x和控制單元還是能按預(yù)先設(shè)置的補(bǔ)償要求自動(dòng)給出補(bǔ)償量，只是需要人工操作（一般在機(jī)床控制面板上執(zhí)行）而已。吉利汽車的模式就要簡(jiǎn)單得多，生產(chǎn)線內(nèi)不設(shè)置隨機(jī)檢測(cè)工位，操作人員只是依據(jù)線外設(shè)置的檢具，根據(jù)在每一個(gè)抽檢周期所得到的測(cè)量結(jié)果來決定補(bǔ)償與否及補(bǔ)償量。具體做法也是先在公差范圍內(nèi)建立一個(gè)警戒（控制）區(qū)域，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)周期（如1小時(shí)）抽檢的1件（或3－5件）的實(shí)測(cè)值（或平均值）超出警戒線后，就人工執(zhí)行補(bǔ)償操作，調(diào)整到公差的中間值。
2缸孔精鏜的工藝選擇
在缸體加工中，缸孔精鏜是最重要的工序之一，涉及的尺寸精度和形位誤差將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量。因此，企業(yè)在規(guī)劃這道工序時(shí)會(huì)持十分慎重的態(tài)度，既要保證零件的實(shí)物質(zhì)量和工序質(zhì)量，又要結(jié)合產(chǎn)品和企業(yè)的實(shí)際情況而采用最合適的方案。缸孔精鏜的工藝選擇牽涉到加工設(shè)備、鏜削工藝、鏜刀（包括刀片材料、是否帶補(bǔ)償功能等）等諸多因素。
在汽車行業(yè)面臨日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的大環(huán)境下，企業(yè)加快了產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，對(duì)降本增效更加重視，并強(qiáng)化了柔性生產(chǎn)方式。確實(shí)，自上世紀(jì)90年代中期以來，加工中心得到了日益普遍的應(yīng)用，還出現(xiàn)了完全由加工中心組成的自動(dòng)線（包括缸體線），但這是否是一種發(fā)展趨勢(shì)呢？事實(shí)證明，這只是一種可取的模式。近年來，國際知名的機(jī)床供應(yīng)商和汽車企業(yè)集團(tuán)十分看好并力主優(yōu)先采用“混合型柔性自動(dòng)線”。這是一種組合/專用機(jī)床和加工中心相混合的柔性自動(dòng)線，其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，同時(shí)又具有相當(dāng)?shù)娜嵝裕軌蜻m應(yīng)大批量生產(chǎn)和變型產(chǎn)品生產(chǎn)，而投資則相對(duì)較小（由零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝分析所決定）。在以這種模式加工缸體時(shí)，缸孔的鏜削工序是由專用機(jī)床承擔(dān)的。而多年前已經(jīng)配置使用的精鏜自動(dòng)補(bǔ)償則進(jìn)一步提高了缸孔精鏜的加工質(zhì)量。不過，雖然這一措施的有效性已得到確認(rèn)，但作為一種工藝選擇，企業(yè)在規(guī)劃和實(shí)施時(shí)仍然會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)性、適用性等各方面加以考慮，最后根據(jù)自身的實(shí)際情況作出決定。
通過對(duì)國內(nèi)20多家主流汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠（包括柴油機(jī)廠）的60余條缸體生產(chǎn)線的調(diào)查，我們對(duì)缸孔精鏜采用的工藝技術(shù)有了比較清晰的了解。在60余條缸體線中，2002年后建成投產(chǎn)的新線占了將近一半（47.5%），但在這些線中，缸孔鏜削工序采用加工中心的比例增加到45%。表明近年來由加工中心組成的柔性自動(dòng)線在發(fā)動(dòng)機(jī)主要零件制造中的應(yīng)用面在擴(kuò)大。
但是，相對(duì)而言，上述“混合型柔性自動(dòng)線”還是稍占優(yōu)勢(shì)。按照這種制造方式，缸孔鏜削工序均在專機(jī)上完成。事實(shí)上，國內(nèi)在2005年以后建成的多條具有先進(jìn)水平和代表性的缸體線，如東風(fēng)康明斯、上海通用L850項(xiàng)目、大眾動(dòng)力總成（上海）、大連柴油機(jī)廠、大眾一汽發(fā)動(dòng)機(jī)（大連）等，均采用了這種模式。
至于帶有缸孔精鏜自動(dòng)補(bǔ)償功能的設(shè)備，在全部被調(diào)查的60多條生產(chǎn)線中占到54%；其中，當(dāng)缸孔精鏜采用專機(jī)方式加工時(shí)，帶有此項(xiàng)功能的占64%；而采用加工中心加工時(shí)，僅有25%的工序具有此項(xiàng)功能。
事實(shí)上，盡管精鏜自動(dòng)補(bǔ)償是一項(xiàng)已應(yīng)用多年的成熟技術(shù)（過去也被稱作“自動(dòng)補(bǔ)調(diào)”），但隨著數(shù)控、檢測(cè)等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是處于補(bǔ)償系統(tǒng)核心地位的可微調(diào)鏜桿的改進(jìn)與完善，補(bǔ)償?shù)男芤训玫酱蟠筇岣吆蛿U(kuò)展，充分體現(xiàn)出這項(xiàng)成熟技術(shù)的不斷進(jìn)步。