汽车起重机基本臂加工优化及自动化集成系统

编者按

---

序言

汽车起重机在现代工程建设中占据着关键地位，其臂架作为核心结构承载部件之一，承担起重、伸缩及回转等基础作业的功能。臂架一般由多个伸缩节段组合而成，可依照实际需求灵活地进行伸缩操作并调整角度，适应各种工作半径与作业高度的要求^[1]。基本臂充当着连接回转平台和伸缩臂的枢纽角色，是承受并传递巨大弯矩、扭矩以及冲击载荷的关键支撑部分。然而在实际作业过程中，臂架加工有诸多难题，例如，精度控制较困难、生产效率有待提高以及智能化水平不足等^[2]。

基本臂是一个由高强度钢板焊接而成的大型箱体结构，自身存在焊接应力释放和热变形等不确定因素，在这种大型、重载且存在初始变形的工件上，要实现并稳定维持亚毫米级的几何公差，传统依靠通用加工设备和人工经验的生产模式已难以胜任。基本臂的加工难点是：通用加工中心和加工工艺流程在面对此类大型焊接结构件时，无法高效地实现几何尺寸和公差要求，致使产品一致性差、生产周期长且废品率高，是工程机械企业产能和质量提升的主要障碍^[3]。

基本臂传统加工工艺

2.1 工件结构特点与精度要求

汽车起重机基本臂是一个由多种规格的HG785/ Q800等高强度钢板与Q345B钢管轴套等部件通过焊接工艺组合而成的复杂箱型构件。焊接成型后，其外形尺寸达到10405mm ×1161mm×662mm，经过加工，成品单件质量高达1427kg，对加工设备的承载能力、刚性和工作行程有极高的要求。基本臂结构如图1所示。

图1  基本臂结构

焊接成型后，基本臂上有两组关键的销轴孔系需要进行高精度加工，分别是变幅铰孔系（P1）和臂尾铰孔系（P2），P1、P2孔系加工位置如图2所示。

a）P1孔系

b）P2孔系

图2  P1、P2孔系加工位置

这两组孔是基本臂与回转平台、变幅液压缸连接的主铰点，其几何精度直接影响起重机的运动平稳性和结构安全性。基本臂关键部位几何精度要求见表1。

表1  基本臂关键部位几何精度要求

2.2 传统双面镗加工的局限性

传统工艺采用通用型数控双面镗铣加工中心（TK6913）加工。此类设备虽然具备加工能力，但在实际过程中以传统加工工艺为主，效率低，局限性主要体现在以下3个方面。

（1）设备精度局限 机床重复定位精度通常为0.025mm/1000mm，在基本臂长达10000mm的尺寸上，仅仅由机床自身运动产生的理论累积误差就可能达到10×0 .025mm＝0.25mm。这个数值已经占据了同轴度和对称度公差的一部分，再叠加装夹误差、刀具磨损、热变形以及环境因素后，要稳定地将最终精度控制在公差带内，就变得极具挑战性^[4]。

（2）工艺流程存在低效问题 传统工艺流程包括加工P1孔系和P2孔系等多个独立步骤，加工完一侧的孔和端面后，需要对主轴进行移动或者调整才能加工另一侧，加工完P1孔系之后，工作台需要进行长距离移动，才能加工P2孔系。这种模式会出现大量的非切削辅助时间，比如机床空行程、人工换刀以及重复测量等，极大地延长了单件加工周期。

（3）存在不可控的人为变量 传统工艺对操作人员的技能和经验高度依赖，装夹用机械螺栓和压板来固定，操作人员依靠经验用扳手锁紧，夹紧力不可控且分布不均衡，不同操作人员的力量、疲劳程度以及操作习惯，都会使得每次装夹的夹紧力存在差异，并且力集中在少数几个压点，容易让大型薄壁箱型工件产生难以预测的微小弹性变形，破坏加工基准的稳定性。找正需要借助百分表等测量工具，依靠反复调整工件位置来寻找加工中心线并凭借试镗建立工件坐标系，耗时以及精度完全由操作人员的责任心和技术水平决定，是加工误差的主要来源^[5]。

自动化加工单元的组成与核心技术

为了能从根源上解决传统工艺存在的局限性，构思并推行了一套有高度集成特性的自动化加工解决方案，此方案的关键要点在于把硬件和软件进行深度融合，构建成一个自动化闭环制造体系。

3.1 物理系统与信息系统的融合

此自动化加工单元由紧密耦合的物理系统和信息系统两部分组成。

（1）物理系统  其在前后两组固定平台上呈对称方式布置4个标准BT50镗削动力头，可让基本臂前部的P1孔系以及后部的P2孔系同时并行加工。A、B两段式固定平台给大型工件提供了稳定且有刚性的支撑，对加工振动起到了有效的抑制作用。液压自动定心夹具取代了传统的手动机械夹具，是达成稳定且可重复装夹的关键所在，并且每个动力头配备的伺服圆盘式机械手刀库实现了加工过程的全自动换刀。

（2）信息系统  主要以内置在CNC控制器里的特定程序和指令集作为关键要素，借助数控指令达成4个动力头的同步或者协调运作。通过M代码，该系统可驱动液压系统达成工件的自动对刀以及夹紧或松开的操作。此系统还整合了高精度接触式探头，并且借助预先设定好的测量宏程序（例如，$P_UIFR=-1004这个指令可用于探测并补偿Z轴坐标），实现工件坐标系的自动设定，同时保证关键尺寸以及几何公差的精度。

3.2 核心技术

（1）高刚性多主轴并行加工 该四动力头自动化单元的核心优势体现在达成了加工过程的并行化。在传统工艺里，4个关键孔以及端面的加工是依照顺序逐个完成的。在新方案中，处于P1和P2位置的2个动力头可同时启动，分别针对各自区域的对称孔展开加工，把原本累加起来的4段加工，转变成为2段并行执行，从根本上缩短切削时间。自动化单元的床身和立柱结构针对基本臂的加工载荷做了优化设计，有着很高的刚性，可保证加工质量。四动力头自动化单元如图3所示。

图3  四动力头自动化单元

（2）自适应液压自动定心夹具“液压与磁吸组合式”全自动夹具，把传统方式提升为可控制的精密定位系统。液压自动定心夹具（见图4）借助液压技术，驱使液压缸产生巨大且均匀的推力，达成对工件的可靠夹紧。液压夹紧力与手动机械夹紧力相比，高数倍甚至数十倍，而且力值可精确控制，保证了每次装夹的一致性。同时，夹具集成了自定心功能，在夹紧过程中能自动将工件引导至理论中心位置，极大地简化了初始定位过程，为后续的在线测量奠定基础。

图4  液压自动定心夹具

（3）基于在线测量的闭环控制 在线测量探头的应用，将传统的“开环”加工模式（执行程序，假设结果正确）转变为“闭环”控制模式（执行、测量、反馈和补偿）。在线测量设备如图5所示。

图5  在线测量设备

整个过程即工件由液压夹具初步定位夹紧后，安装在主轴上的高精度探头便会自动执行预设的测量宏程序，通过接触工件的基准面和孔内壁，探头实时采集三维坐标数据，CNC系统据此自动计算并建立工件坐标系（WCS），整个过程完全排除了人工试镗、读表和手动输入的误差，其精度和重复性远超手动找正。

其将传统依赖于操作人员经验的“隐性知识”（如何夹紧、如何找正以及如何规划路径）转化为固化在数控系统中的“显性知识”。

基本臂加工工艺优化

基于上述自动化加工单元，整体工艺流程得以重塑和简化，并通过实际生产数据验证了其在效率和精度上的巨大优势。

4.1 新工艺流程

新的自动化工艺流程被简化为以下5个集成的步骤。

（1）工件吊装  操作人员将基本臂吊装至工装。

（2）自动装夹与找正  操作人员在CNC系统上启动程序，系统发出M代码指令，液压夹具自动完成对中与夹紧，接着探头自动测量并建立工件坐

标系。

（3）并行加工  4个动力头根据程序指令同步起动，通过自动换刀，协同完成P1和P2孔系的粗、精镗、端面铣削以及螺纹孔的钻孔、攻螺纹等所有工序。

（4）自动松开  所有加工工序结束后，系统再次发出M代码指令，液压夹具自动松开。

（5）成品吊离  操作人员将成品吊离。

整个过程除首尾的吊装外，中间环节无需任何人工干预，实现了“一键式”自动化加工。

4.2 关键工步加工参数设计

为充分呈现自动化单元的高刚性以及高效率的特点，针对HG785/Q800高强度钢所有的切削特性，设计出了经过优化的加工参数。这些参数的优化目的在于达成切削效率、刀具寿命和加工质量三者之间的最佳平衡，优化后工步加工参数见表2。

表2  优化后工步加工参数

4.3 优化前后效率对比

选用一种机型对传统工艺（在操作人员熟练情况下）和自动化加工单元加工效率进行对比，优化前后工艺效率对比见表3。

表3  优化前后工艺效率对比

自动化加工单元的应用带来了极大的效率提升，总加工周期缩短69%。更重要的是通过消除人工干预，加工过程的稳定性和一致性得到极大提升，关键部位尺寸、几何精度也得到了极大提升。

结束语

本文聚焦于汽车起重机基本臂这一大型且高精度的复杂焊接件加工难题，全面剖析了传统工艺在精度控制、生产效率以及一致性方面存在的内在缺陷。这些问题的根源在于通用设备精度受限、工艺流程呈串行化以及高度依赖人工操作而引入的不可控变量。本文的价值在于证实了借助系统化的顶层设计，可有效化解重型装备制造业中普遍存在的高精度与高效率之间的矛盾。本文构建的自动化加工单元，并非仅是针对特定产品的解决办法，而是已然成为工厂车间里一个高稳定且数据丰富的制造 “节点”。这为企业未来迈向更高阶的智能制造转型奠定了坚实基础，使其可顺利接入制造执行系统（MES）和产品生命周期管理平台（PLM），实现从单元自动化到智能生产线、智能工厂的转变。

参考文献：

[1] 王宁. 汽车起重机臂架可靠性分析[D]. 西安：长安大学，2021.

[2] 张戚. 汽车起重机臂架刚度验证试验新方法[J]. 起重运输机械，2019（15）：86-91.

[3] 焦国敏，李俊刚，闵超. 基于SolidWorks的汽车起重机臂架静态与模态仿真分析[J]. 机械工程与自动化，2019（6）：116-117.

[4] 汤良. 超大型挖掘机动臂机加工艺探讨[J]. 工程机械，2014，45（10）：46-50.

[5] 陈清. 数控双面对头镗铣床组合加工工艺研究[J]. 新型工业化，2020，10（3）：57-59.

本文发表于《金属加工（冷加工）》2026年第4期88~92页，作者：三一汽车起重机械有限公司  殷浪，李兴林，原标题：《汽车起重机基本臂加工优化及自动化集成系统》。

-End-

☞来源：金属加工 ☞编辑：勾鑫彤 ☞校对：王倩 ☞审核人：韩景春 ☞媒体合作: 010-88379790-801