組合機(jī)床和組合機(jī)床自動(dòng)線(xiàn)的技術(shù)性

    組合機(jī)床和組合機(jī)床自動(dòng)線(xiàn)是一種專(zhuān)用高效自動(dòng)化技術(shù)裝備，目前，由于它仍是大批量機(jī)械產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性生產(chǎn)的關(guān)鍵裝備，因而被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、拖拉機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和壓縮機(jī)等許多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。其中 ，特別是汽車(chē)工業(yè)，是組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)最大的用戶(hù)。如德國(guó)大眾汽車(chē)廠(chǎng)在Salzgitter的發(fā)動(dòng)機(jī)工廠(chǎng)，90年代初所采用的金屬切削機(jī)床主要是自動(dòng)線(xiàn)(60%)、組合機(jī)床(20%)和加工中心(20%)。顯然，在大批量生產(chǎn)的機(jī)械工業(yè)部門(mén)，大量采用的設(shè)備是組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)。因此，組合機(jī)床及其自動(dòng)線(xiàn)的技術(shù)性能和綜合自動(dòng)化水平，在很大 程度上決定了這些工業(yè)部門(mén)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)生產(chǎn)組織的結(jié)構(gòu)，也在很大程度上決定了企業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

    現(xiàn)代組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)作為機(jī)電一體化產(chǎn)品，它是控制、驅(qū)動(dòng)、測(cè)量、監(jiān)控、刀具和機(jī)械組件等技術(shù)的綜合反映。近20年來(lái)，這些技術(shù)有長(zhǎng)足進(jìn)步，同時(shí)作為組合機(jī)床主要用戶(hù)的汽車(chē)和內(nèi)燃機(jī)等行業(yè)也有很大的變化，其 產(chǎn)品市場(chǎng)壽命不斷縮短，品種日益增多且質(zhì)量不斷提高。這些因素有力地推動(dòng)和激勵(lì)了組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)技術(shù)的不斷發(fā)展。

1 組合機(jī)床品種的發(fā)展重點(diǎn)

    在組合機(jī)床這類(lèi)專(zhuān)用機(jī)床中，回轉(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)占有很重要的地位。因?yàn)檫@ 兩類(lèi)機(jī)床可以把工件的許多加工工序分配到多個(gè)加工工位上，并同時(shí)能從多個(gè)方向?qū)�工件的幾個(gè)面進(jìn)行加工，此外，還可以通過(guò)轉(zhuǎn)位夾具(在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)機(jī)床上)或通過(guò)轉(zhuǎn)位、翻轉(zhuǎn)裝置(在自動(dòng)線(xiàn)上)實(shí)現(xiàn)工件的五面加工或全部加工，因而具有很高的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，被汽車(chē)、摩托車(chē)和壓縮機(jī)等工業(yè)部門(mén)所采用。

    根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，德國(guó)在1990～1992年期間，回轉(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)的產(chǎn)量約各占組合機(jī)床總數(shù) 的50%左右。

    應(yīng)指出，回轉(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床實(shí)際上是一種特殊型式的小型自動(dòng)線(xiàn)，適合于加工輪廓尺寸≤250mm的中小件。與自動(dòng)線(xiàn)相比，在加工同一種工件的情況下，回轉(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床所占作業(yè)面積要比自動(dòng)線(xiàn)約小2/3。

2 自動(dòng)線(xiàn)節(jié)拍時(shí)間進(jìn)一步縮短

    目前，以大批量生產(chǎn)為特征的轎車(chē)和輕型載貨車(chē)，其發(fā)動(dòng)機(jī)的年產(chǎn)量通常為60萬(wàn)臺(tái)左右，實(shí)現(xiàn)這樣大的批量 生產(chǎn)，回轉(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)在三班運(yùn)行的情況下，其節(jié)拍時(shí)間一般為20～30秒，當(dāng)零件生產(chǎn)批量更大時(shí)，機(jī)床的節(jié)拍時(shí)間還要更短些。在70年代，自動(dòng)線(xiàn)要實(shí)現(xiàn)這樣短的節(jié)拍，往往要采用并列的雙工位或設(shè) 置雙線(xiàn)的辦法，即對(duì)決定自動(dòng)線(xiàn)節(jié)拍的、工序時(shí)間最長(zhǎng)的加工工序要通過(guò)并聯(lián)兩個(gè)相同的加工工位，如果限制性工序較多時(shí)，則通過(guò)采用兩條相同的自動(dòng)線(xiàn)來(lái)平衡自動(dòng)線(xiàn)系統(tǒng)的加工節(jié)拍。顯然，這樣就要增加設(shè)備投資和作業(yè)面積。

    縮短基本時(shí)間的主要途徑是采用新的刀具材料和新穎刀具，以通過(guò)提高切削速度和進(jìn)給速度來(lái)縮短基本時(shí)間。例如，德國(guó)大眾汽車(chē)廠(chǎng)在加工鋁合金缸蓋燃燒室側(cè)面時(shí)，采用PCD銑刀，銑削速度高達(dá)3075m/min，進(jìn)給速度達(dá)3600mm/min；又如，在鏜削灰鑄鐵缸體的缸孔時(shí)，采用裝有三個(gè)可轉(zhuǎn)位CBN刀片的新穎鏜刀頭，切削速度達(dá) 800m/min，進(jìn)給速度為1500mm/min，加工深度為146mm的缸孔，其實(shí)際加工時(shí)間僅為5.8s，比傳統(tǒng)加工工藝可縮 短2/3的加工時(shí)間。

    縮短輔助時(shí)間主要是縮短包括工件輸送、加工模塊快速引進(jìn)以及加工模塊由快進(jìn)轉(zhuǎn)換為工進(jìn)后至刀具切入工件 所花的時(shí)間。為縮短這部分空行程時(shí)間，普遍采用提高工件(工件直接輸送)或隨行夾具的輸送速度和加工模塊的快速移動(dòng)速度。目前，隨行夾具的輸送速度可達(dá)60m/min或更高些，加工模塊快速移動(dòng)速度達(dá)40m/min。目前，隨行夾具高速輸送裝置常用的有電液比例閥控制的或擺線(xiàn)驅(qū)動(dòng)的輸送裝置。70年代末，Honsberg公司在其加工變速箱體的自動(dòng)線(xiàn)上就采用了電液比例閥控制的輸送裝置。該自動(dòng)線(xiàn)長(zhǎng) 18.2m，有12個(gè)加工工位，輸送步距為1400mm，輸送重量為7000kg，輸送速度達(dá)45.6m/min，一個(gè)步距的輸送時(shí)間 僅為2.5s。

    為該輸送裝置的運(yùn)動(dòng)特性曲線(xiàn)。由于電液比例閥控制系統(tǒng)具有良好的啟動(dòng)和制動(dòng)性能，且系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，至今，這種輸送裝置仍被許多自動(dòng)線(xiàn)所采用。

3 組合機(jī)床柔性化進(jìn)展迅速

    十多年來(lái)，作為組合機(jī)床重要用戶(hù)的汽車(chē)工業(yè)，為迎合人們個(gè)性化需求，汽車(chē)變型品種日益增多，以多 品種展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)已成為汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的特點(diǎn)之一，這使組合機(jī)床制造業(yè)面臨著變型多品種生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)多品 種生產(chǎn)，傳統(tǒng)以加工單一品種的剛性組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)必須提高其柔性。在70年代，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性有了很大的提高，故到70年代末和80年代初，像Alfing、Hüller-Hille 和Ex-cell-o等公司相繼開(kāi)發(fā)出數(shù)控加工模塊和柔性自動(dòng)線(xiàn)(FTL)，從此數(shù)控組合機(jī)床和柔性自動(dòng)線(xiàn)逐年增多。在 1988年至1992年間，日本組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)(包括部分其它形式的專(zhuān)用機(jī)床)產(chǎn)量的數(shù)控化率已達(dá)32%～39%，產(chǎn)值 數(shù)控比率達(dá)35%～51%；德國(guó)組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)產(chǎn)量的數(shù)控化率為18%～62%，產(chǎn)值數(shù)控化率達(dá)45%～66%(表2)。這 些數(shù)字表明，近十年來(lái)，組合機(jī)床的數(shù)控化發(fā)展是十分迅速的。應(yīng)指出，進(jìn)入90年代以來(lái)，汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更趨激烈，產(chǎn)品市場(chǎng)壽命進(jìn)一步縮短，新車(chē)型的開(kāi)發(fā)周期日益縮短(目前一般為35個(gè)月)，汽車(chē)品種不斷增多，因而汽車(chē)工業(yè)對(duì)柔性自動(dòng)化技術(shù)裝備的需求量日益增多。如日本豐田汽車(chē)公司，在本世紀(jì)末的目標(biāo)是公司下屬工廠(chǎng)的柔性 化加工系統(tǒng)的普及率達(dá)到100%。很顯然，組合機(jī)床及其自動(dòng)線(xiàn)在保持其高生產(chǎn)效率的條件下，進(jìn)一步提高其柔性 就愈來(lái)愈具有重要意義。

表2 日本和德國(guó)數(shù)控組合機(jī)床和數(shù)控自動(dòng)線(xiàn)(1988～1992年) 產(chǎn)量、產(chǎn)值 產(chǎn)量 產(chǎn)值

年份 1988 1989 1990 1991 1992 1988 1989 1990 1991 1992

日本 組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn) 5074 5138 5653 5970 4260 808.2 954.9 1106.2 1590.1 1193.1

其中：數(shù)控組合機(jī)床和數(shù)控自動(dòng)線(xiàn) 1640 1640 2087 2326 1626 283.7 335.0 539.9 767.6 607.2

數(shù)控化率(%) 32.3 31.9 36.9 39.0 38.2 35.1 35.1 48.8 48.3 50.9

德國(guó) 組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn) 1655 837 886 813 644 565.2 429.8 712.2 746.7 896.9

其中：數(shù)控組合機(jī)床和數(shù)控自動(dòng)線(xiàn) 1028 149 196 236 274 302.0 196.0 378.3 490.6 590.5

數(shù)控化率(%) 62.1 17.8 22.0 29.0 42.5 53.5 45.6 53.1 65.7 65.8

摘自《1993～1994 Economic Handbook of the Machine Tool Industry》AMT

    1.輸送裝置 2.操縱臺(tái) 3.液壓站 4.備料站 5.夾緊工位 6.龍門(mén)式空架機(jī)器人 7.清洗工位 8.CNC三坐標(biāo)加工模塊 9.輸送帶 10.轉(zhuǎn)塔式多軸加工模塊 11.NC二坐標(biāo)銑削模塊 12.有軌輸送小車(chē) 13.儲(chǔ)料站 14.手動(dòng)夾緊站

    組合機(jī)床的柔性化主要是通過(guò)采用數(shù)控技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。開(kāi)發(fā)柔性組合機(jī)床和柔性自動(dòng)線(xiàn)的重要前提是開(kāi)發(fā) 數(shù)控加工模塊，而有著較長(zhǎng)發(fā)展歷史的加工中心技術(shù)為開(kāi)發(fā)數(shù)控加工模塊提供了成熟的經(jīng)驗(yàn)。由數(shù)控加工模塊組 成的柔性組合機(jī)床和柔性自動(dòng)線(xiàn)，可通過(guò)應(yīng)用和改變數(shù)控程序來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀、自動(dòng)更換多軸箱和改變加工行程 、工作循環(huán)、切削參數(shù)以及加工位置等，以適應(yīng)變型品種的加工。 柔性組合機(jī)床和柔性自動(dòng)線(xiàn)用的數(shù)控加工模塊，按其數(shù)控坐標(biāo)(軸)數(shù)，主要有單坐標(biāo)(Z)、雙坐標(biāo)(X-Z、Y-Z、 Z-U和Z-B等)和三坐標(biāo)(X-Y-Z)加工模塊；按其主軸數(shù)，有單軸和多軸加工模塊，也有單軸和多軸復(fù)合加工模塊。

    單坐標(biāo)加工模塊由數(shù)控滑臺(tái)和主軸部件(或多軸箱，包括可換多軸箱)組成。雙坐標(biāo)加工模塊由數(shù)控十字滑臺(tái)和 主軸部件組成，例如數(shù)控雙坐標(biāo)銑削模塊。 立柱移動(dòng)式數(shù)控三坐標(biāo)加工模塊(圖6)，其刀具能在三個(gè)坐標(biāo)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，可根據(jù)加工工件的品種和加工任務(wù) 配備刀庫(kù)、換刀機(jī)械手以及所需的刀具，具有很高的柔性。這種加工模塊是柔性自動(dòng)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)多品種加工最重要的 模塊之一。

    立柱移動(dòng)式CNC三坐標(biāo)加工模塊可利用X軸和Y軸的聯(lián)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)周邊銑削工藝，特別是在銑削象變速箱體這類(lèi)剛 性較差的工件時(shí)，可采用較小直徑的銑刀，實(shí)現(xiàn)高速(切削速度達(dá)2500m/min)周邊銑削，由此減小加工時(shí)的切削 力和工件的變形。這比采用雙坐標(biāo)銑削加工模塊用大直徑銑刀進(jìn)行銑削要優(yōu)越得多。多軸加工模塊是又一種重要模塊，主要用于加工箱體和盤(pán)類(lèi)工件的柔性組合機(jī)床和柔性自動(dòng)線(xiàn)。這類(lèi)模塊有多 種不同的結(jié)構(gòu)形式，但基本上可分為自動(dòng)換箱式多軸加工模塊、轉(zhuǎn)塔式多軸加工模塊和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)式 多軸加工模塊。自動(dòng)換箱式模塊由于可在專(zhuān)門(mén)設(shè)置的多軸箱庫(kù)中儲(chǔ)存較多的多軸箱，故可用來(lái)加工較多不 同品種的工件。而轉(zhuǎn)塔式和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)式多軸加工模塊，由于在轉(zhuǎn)塔頭和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上允許裝的多軸箱數(shù)量有限 (一般為4～6個(gè))，所以這種加工模塊只能實(shí)現(xiàn)有限品種的加工。

    在自動(dòng)線(xiàn)上采用CNC三坐標(biāo)加工模塊和轉(zhuǎn)塔式多軸加工模塊，不僅可實(shí)現(xiàn)不同品種工件的加工，而且在自動(dòng)線(xiàn) 節(jié)拍時(shí)間內(nèi)(如果節(jié)拍時(shí)間允許的話(huà))，這類(lèi)加工模塊還可以在同一個(gè)加工工位上通過(guò)其自動(dòng)換刀或換箱，依次實(shí) 現(xiàn)多道加工工序(粗鏜、半精鏜和精鏜；鉆孔、擴(kuò)孔和攻絲)，從而減少自動(dòng)線(xiàn)的加工工位數(shù)，縮短自動(dòng)線(xiàn)的長(zhǎng)度 。

    單軸和多軸復(fù)合加工模塊是一種三坐標(biāo)數(shù)控加工模塊，可通過(guò)自動(dòng)換刀或自動(dòng)更換多軸箱而實(shí)現(xiàn)單軸加工或多軸加工。值得提及的是，在80年代中期德國(guó)Honsberg公司推出的CNCMACH模塊化系統(tǒng)是很有特色的一種模塊化系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分應(yīng)用模塊化結(jié)構(gòu)原理，在作為系統(tǒng)基礎(chǔ)模塊的 CNC三坐標(biāo)模塊上，通過(guò)增減各種不同的功能模塊，拼裝成各種不同坐標(biāo)或不用工藝用途的加工模塊。具體地說(shuō) ，從坐標(biāo)看，除三坐標(biāo)外，還可組成雙坐標(biāo)和單坐標(biāo)加工模塊；從刀庫(kù)看，可裝設(shè)刀具庫(kù)和多軸箱庫(kù)，可單獨(dú)實(shí) 現(xiàn)刀具或多軸箱的自動(dòng)更換，也可依次實(shí)現(xiàn)刀具和多軸箱的更換。

    CNC MACH系統(tǒng)，不僅在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，而且在控制和軟件等方面也是模塊化的。因此，利用該系統(tǒng)模塊，可以 很方便地拼裝成柔性自動(dòng)線(xiàn)(FTL)、柔性加工單元(FMC)或柔性制造系統(tǒng)(FMS)。 除上述各種CNC加工模塊外，機(jī)器人和伺服驅(qū)動(dòng)的夾具也是柔性組合機(jī)床和柔性自動(dòng)線(xiàn)的重要部件。特別在柔 性自動(dòng)線(xiàn)上，目前已較普遍地采用龍門(mén)式空架機(jī)器人進(jìn)行工件的自動(dòng)上下料，用于工件的轉(zhuǎn)位或翻轉(zhuǎn)。為搬運(yùn)不 同的工件，可在自動(dòng)線(xiàn)旁設(shè)置手爪庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)手爪的自動(dòng)更換。夾具配備伺服驅(qū)動(dòng)裝置，以適應(yīng)工件族內(nèi)不同工 件的自動(dòng)夾緊。

    該線(xiàn)采用的數(shù)控加工模塊有四個(gè)雙坐標(biāo)數(shù)控銑削模 塊、六個(gè)數(shù)控轉(zhuǎn)塔式多軸加工模塊和六個(gè)數(shù)控三坐標(biāo)加工模塊。輔助工位有清洗工位和采用機(jī)器人進(jìn)行操作的裝 夾工作站。由于組成自動(dòng)線(xiàn)的加工模塊都是數(shù)控的，當(dāng)由一種工件的加工變換為另一種工件的加工時(shí)，只需通過(guò) 改變數(shù)控程序就行了，而無(wú)需進(jìn)行機(jī)械等方面的調(diào)整和改裝。

4 加工精度日益提高

表3 轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵件的精度 工件名稱(chēng) 項(xiàng)目 數(shù)值

氣缸體 頂?shù)酌娴钠矫娑?0.02mm/1000mm

缸孔孔徑精度 IT6

主軸孔同軸度 f0.01mm

缸體止口深度 0.01～0.02mm

氣缸蓋 進(jìn)排氣閥座與導(dǎo)管孔的同軸度 f0.02mm

導(dǎo)管孔孔徑精度 IT6

氣缸體和氣缸蓋等箱體件

工藝定位銷(xiāo)孔 孔徑精度 IT5

孔距精度 +0.01mm

變速箱體 傳動(dòng)軸孔孔距精度 +0.02mm

孔徑精度 IT6

連桿 大小頭孔 孔徑精度 IT6(大頭孔)

IT5(小頭孔)

孔距精度 +0.01mm

螺栓定位孔 孔徑精度 IT6

孔距精度 +0.03mm

    1.鏜桿 2.精車(chē)缸孔止口用的滑板 3.空心錐柄(HSK) 4.裝有三個(gè)切削刃和三個(gè)金剛石導(dǎo)向條的刀頭 5.車(chē)止口用拉桿

缸孔精鏜刀具

    1.自動(dòng)上下料系統(tǒng) 2.加工基準(zhǔn)面和定位銷(xiāo)孔的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)式組合機(jī)床 3～6、8～10、13～17、21.切削加工柔性自動(dòng)線(xiàn) 7.試漏機(jī) 11.清洗機(jī) 12.導(dǎo)管和閥座自動(dòng)裝配機(jī) 18.去毛刺機(jī) 19.清洗機(jī) 20.凸輪軸軸承蓋自動(dòng)裝配機(jī)

缸蓋綜合生產(chǎn)系統(tǒng)

    特別自80年代中期以來(lái)，汽車(chē)制造業(yè)為增強(qiáng)其汽車(chē)的競(jìng)爭(zhēng)力，不斷地加嚴(yán)其發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵件的制造公差，并通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量和分析方法，以及通過(guò)設(shè)備能力檢驗(yàn)來(lái)提高其產(chǎn)品的質(zhì)量。目前，在驗(yàn)收組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)時(shí)，已普遍要求設(shè)備的工序能力系數(shù)要大于1.33，有的甚至要求工序能力系數(shù)要大于1.67，以便確保穩(wěn)定的加工精度。應(yīng)指出，采用Cp≥1.33來(lái)驗(yàn)收設(shè)備，這實(shí)際上是加嚴(yán)了工件的制造公差，即工件的實(shí)際加工公差僅為工件給定公差的1/3～1/2，這無(wú)疑是對(duì)組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)提出了更高的要求。組合機(jī)床制造廠(chǎng)為了滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)工件加工精度的高要求，除了進(jìn)一步提高主軸部件、鏜桿、夾具(包括鏜模)的精度，采用新的專(zhuān)用刀具，優(yōu)化切削工藝過(guò)程，采用刀具尺寸測(cè)量控制系統(tǒng)和控制機(jī)床及工件的熱變形等一系列措施外，目前，空心工具錐柄(HSK)和過(guò)程統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制(SPC)的應(yīng)用已成為自動(dòng)線(xiàn)提高和監(jiān)控加工精度的新的重要技術(shù)手段。

    空心工具錐柄是一種采用徑向(錐面)和軸向(端面)雙向定位的新穎工具，其優(yōu)點(diǎn)是具有較高的抗彎剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和很高的重復(fù)精度。在機(jī)床上采用空心錐柄的鏜刀，就可使用預(yù)調(diào)的刀具加工出IT7/IT6精密孔。所示是空心工具錐柄在缸孔精鏜刀具上的應(yīng)用實(shí)例。

    SPC是基于工序能力的用于監(jiān)控工件加工質(zhì)量的一種方法。目前，在自動(dòng)線(xiàn)上這種質(zhì)量保證系統(tǒng)愈來(lái)愈多地被用來(lái)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的加工質(zhì)量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。表4是缸蓋氣門(mén)導(dǎo)管底孔和閥座底孔在采用SPC監(jiān)控時(shí)的實(shí)際加工公差。 表4 采用SPC監(jiān)控時(shí)缸蓋氣門(mén)導(dǎo)管底孔和閥座底孔的實(shí)際加工公差 (mm) 加工部位 孔徑 公差 SPC監(jiān)控下的實(shí)際加工公差

(臨界工序能力系數(shù)Cpk＝2)

導(dǎo)管底孔 12 H7+0.018 +0.009

閥座底孔 30 H8+0.033 +0.016

5 綜合自動(dòng)化程度日益提高

    近十年來(lái)，為進(jìn)一步提高工件的加工精度和減少工件在生產(chǎn)過(guò)程中的中間儲(chǔ)存、搬運(yùn)以及縮短生產(chǎn)流程時(shí)間，將工件加工流程中的一些非切削加工工序(如工序間的清洗、測(cè)量、裝配和試漏等)集成到自動(dòng)線(xiàn)或自動(dòng)線(xiàn)組成的生產(chǎn)系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)工件加工、表面處理、測(cè)量和裝配等工序的綜合自動(dòng)化。

清洗

    在自動(dòng)線(xiàn)和自動(dòng)線(xiàn)組成的生產(chǎn)系統(tǒng)中，清洗設(shè)備主要用于工件的工序間清洗和工件的最終清洗。

    工件的工序間清洗主要是為下一道工序創(chuàng)造必要的工作條件。例如，工件毛坯在噴漆前、工件基準(zhǔn)面加工后、去毛刺后、測(cè)量前以及裝配前所進(jìn)行的各種清洗。

    當(dāng)今，鑒于我們?nèi)祟?lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境日益受到工業(yè)污染的破壞，環(huán)境保護(hù)已引起人們的普遍重視。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越關(guān)注工業(yè)清洗對(duì)環(huán)境的污染。這就促使許多工業(yè)部門(mén)的零件清洗轉(zhuǎn)向應(yīng)用水劑清洗(采用酸性、中性或堿性清洗液，清洗液中主要含有磷酸鹽、活性劑和絡(luò)合劑等)，這種水劑清洗主要根據(jù)工件清洗質(zhì)量要求而采用噴淋(分散清洗)和浸漬(集中清洗)兩種工藝。

    基于環(huán)境保護(hù)、現(xiàn)場(chǎng)操作工人的保健和清洗工藝的合理化等要求，目前，清洗機(jī)已普遍采用封閉式布局，整個(gè)清洗過(guò)程是自動(dòng)進(jìn)行的，設(shè)備控制采用可編程控制器，并自動(dòng)監(jiān)控所有機(jī)械動(dòng)作和工藝技術(shù)參數(shù)。在這類(lèi)清洗機(jī)上集成了蒸發(fā)、過(guò)濾、材料回收和處理等裝置，圖16所示是德國(guó)奔馳汽車(chē)公司轉(zhuǎn)向器殼的清洗流程。該清洗機(jī)采用封閉式布局，清洗過(guò)程是在一個(gè)封閉系統(tǒng)中進(jìn)行的，通過(guò)一個(gè)清洗液凈化輔助系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)清洗液的循環(huán)使用。在該系統(tǒng)中，作為凈化處理裝置的核心部件是一個(gè)清洗凈化和回收模塊。該模塊由超精過(guò)濾器和蒸發(fā)器聯(lián)合組成，利用這個(gè)綜合凈化處理裝置產(chǎn)生的清洗液和蒸鎦水，重新用于零件的清洗和漂洗。

自動(dòng)測(cè)量

    在自動(dòng)線(xiàn)上采用自動(dòng)測(cè)量旨在對(duì)工件的加工質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。近幾年來(lái)，由于自動(dòng)線(xiàn)節(jié)拍時(shí)間的日益縮短、被測(cè)工件的精度要求越來(lái)越高以及測(cè)量又要在生產(chǎn)條件下進(jìn)行，因此，自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)不僅要具有很高的工作速度和很高的工作精度，并且要具有較強(qiáng)的抗環(huán)境干擾(如切屑、塵埃、冷卻液蒸汽、油液、振動(dòng)和溫度等)能力或測(cè)量系統(tǒng)具有對(duì)某些干擾量能進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償?shù)男阅堋?

    在自動(dòng)線(xiàn)上，自動(dòng)測(cè)量可分為加工前測(cè)量和加工后測(cè)量。

    加工前測(cè)量是在工件加工前通過(guò)測(cè)量以確定工件的特征，并利用測(cè)量結(jié)果來(lái)調(diào)整刀具相對(duì)于工件待加工部位的位置，然后進(jìn)行相應(yīng)的加工。例如，在銑削缸蓋底平面時(shí)，為確保各燃燒室至底平面的深度尺寸偏差為最小(這一偏差直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)性能)，故采用了測(cè)量控制的銑削方法。銑削前，缸蓋在隨行夾具中找正和夾緊，接著采用多個(gè)氣動(dòng)測(cè)量頭測(cè)出各燃燒室的深度，由最大值和最小值求出平均值，然后利用該值通過(guò)相應(yīng)的控制來(lái)調(diào)整銑頭相對(duì)于工件的位置再進(jìn)行銑削。

    近年來(lái)，在自動(dòng)線(xiàn)上，工件精加工后普遍進(jìn)行100%的檢驗(yàn)測(cè)量，為此，在精加工工位后設(shè)置測(cè)量工位。所示是缸蓋進(jìn)排氣閥座和導(dǎo)管孔綜合精度自動(dòng)測(cè)量裝置。該裝置采用四個(gè)氣動(dòng)測(cè)量頭同時(shí)對(duì)四個(gè)閥座和導(dǎo)管進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量閥座錐面的測(cè)量頭上設(shè)有約50μm隙縫寬的環(huán)形噴嘴，測(cè)量導(dǎo)管孔的心棒同樣設(shè)有測(cè)量噴嘴。當(dāng)該心棒低速引入導(dǎo)管孔時(shí)，以閥座錐面自動(dòng)定心和找正，這是通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的滾動(dòng)軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并借助于彈簧給測(cè)量閥座錐面幾何精度的測(cè)量頭施加一定的貼合力，以使測(cè)量頭靠在閥座的錐面上。當(dāng)接通壓縮空氣進(jìn)行測(cè)量時(shí)，就可通過(guò)從環(huán)形噴嘴中排出的氣體量來(lái)測(cè)定：

閥座錐角誤差

閥座錐孔圓度

閥座錐孔對(duì)導(dǎo)管孔的跳動(dòng)誤差

A)測(cè)量任務(wù) B)測(cè)量裝置

    1.安裝板 2.壓縮空氣接頭 3.可浮動(dòng)的彈性支承 4.機(jī)械定心頭 5.測(cè)量導(dǎo)管孔的測(cè)量心棒(設(shè)有測(cè)量噴嘴) 6.測(cè)量閥座深度的兩個(gè)電感應(yīng)測(cè)頭 7.可旋轉(zhuǎn)的環(huán)形噴嘴

缸蓋氣門(mén)閥座錐面和導(dǎo)管孔的綜合精度測(cè)量

裝配

    在主體工件的加工過(guò)程中，有的需要將個(gè)別零件裝配到主體件上后再繼續(xù)進(jìn)行加工。在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，已普遍地將這類(lèi)工序間裝配集成到自動(dòng)線(xiàn)或自動(dòng)線(xiàn)組成的生產(chǎn)系統(tǒng)中。例如，缸體的瓦蓋裝配、缸蓋的進(jìn)排氣閥座及導(dǎo)管裝配和缸體、缸蓋的堵片裝配等。

    進(jìn)行裝配時(shí)，首先是采用液態(tài)氮將閥座圈和導(dǎo)管冷卻到-160℃，通過(guò)自動(dòng)上料裝置將低溫冷縮的閥座圈和導(dǎo)管裝入缸蓋的相應(yīng)底孔中，隨后靠溫度的自然升高使零件產(chǎn)生膨脹，從而將兩個(gè)零件牢固地配合在缸蓋里。這種低溫裝配工藝與通過(guò)加熱整個(gè)缸蓋來(lái)裝配閥座和導(dǎo)管的傳統(tǒng)工藝相比，其優(yōu)點(diǎn)是既可節(jié)能，又能確保裝配質(zhì)量。

密封性試驗(yàn)

    對(duì)一些有密封性能要求的工件(如缸體、缸蓋和進(jìn)排氣管等)，在自動(dòng)線(xiàn)上經(jīng)一定的切削加工后，需進(jìn)行密封性試驗(yàn)，以防止不合格工件進(jìn)入下一道工序，以致影響產(chǎn)品性能。

    工件密封性檢驗(yàn)，既可納入自動(dòng)線(xiàn)也可設(shè)置在自動(dòng)線(xiàn)系統(tǒng)中，一般視自動(dòng)線(xiàn)節(jié)拍的長(zhǎng)短而定。

6 自動(dòng)線(xiàn)可靠性和利用率不斷改善和提高

    自動(dòng)線(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性只有在其進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)的情況下才有可能實(shí)現(xiàn)。為提高自動(dòng)線(xiàn)加工過(guò)程的可靠性、利用率和工件的加工質(zhì)量，目前在自動(dòng)線(xiàn)上愈來(lái)愈多的采用過(guò)程監(jiān)控，對(duì)其各組成設(shè)備的功能、加工過(guò)程和工件加工質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，以便快速識(shí)別故障、快速進(jìn)行故障診斷和早期預(yù)報(bào)加工偏差，使操作人員和維修人員能及時(shí)地進(jìn)行干預(yù)，以縮短設(shè)備調(diào)試周期、減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間和避免加工質(zhì)量偏差。

    顯然，提高自動(dòng)線(xiàn)的利用率和工件加工質(zhì)量是生產(chǎn)控制和監(jiān)控的主要目的。

    從目前自動(dòng)線(xiàn)生產(chǎn)控制和監(jiān)控的內(nèi)容看，生產(chǎn)控制和監(jiān)控系統(tǒng)基本上是由質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)線(xiàn)運(yùn)行控制與監(jiān)控系統(tǒng)和刀具監(jiān)控系統(tǒng)這幾個(gè)部分組成的。

   近年來(lái)，質(zhì)量監(jiān)控已日益成為現(xiàn)代自動(dòng)線(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控的重要一環(huán)。這主要是由于汽車(chē)工業(yè)不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的緣故。各汽車(chē)制造廠(chǎng)普遍要求將零件的設(shè)計(jì)公差帶壓縮1/3～1/2作為工序公差，對(duì)機(jī)床能力系數(shù)提出了很高的要求。為此，自動(dòng)線(xiàn)制造廠(chǎng)為確保設(shè)備具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量，已日益重視應(yīng)用SPC對(duì)自動(dòng)線(xiàn)的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，對(duì)加工質(zhì)量偏差的趨向進(jìn)行早期預(yù)報(bào)，以便把工件的加工公差始終控制在預(yù)定的范圍內(nèi)。

    現(xiàn)代自動(dòng)線(xiàn)的過(guò)程控制和監(jiān)控不僅包含對(duì)變得愈來(lái)愈復(fù)雜的自動(dòng)線(xiàn)的過(guò)程控制和對(duì)所有終點(diǎn)開(kāi)關(guān)、電動(dòng)機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)、節(jié)拍時(shí)間、冷卻和潤(rùn)滑液的供給以及液壓、氣動(dòng)功能等進(jìn)行監(jiān)控和診斷，而且還包括對(duì)刀具耐用度、設(shè)備維修間隔和工件計(jì)數(shù)等進(jìn)行管理，并通過(guò)一些直觀(guān)的過(guò)程圖形顯示、操作指引、故障報(bào)警和診斷指示，使操作人員更便于監(jiān)控整個(gè)自動(dòng)線(xiàn)的生產(chǎn)過(guò)程。

    80年代末，在自動(dòng)線(xiàn)的故障診斷技術(shù)中出現(xiàn)的一種基于知識(shí)的故障診斷技術(shù)，可對(duì)自動(dòng)線(xiàn)運(yùn)行中產(chǎn)生的所有故障進(jìn)行診斷(而不是局限于診斷最常出現(xiàn)的故障)，確定故障部位及其原因，這為迅速排除故障贏(yíng)得了時(shí)間，從而顯著地縮短自動(dòng)線(xiàn)的調(diào)試時(shí)間和停機(jī)時(shí)間。

    當(dāng)前，自動(dòng)線(xiàn)的控制技術(shù)已由集中控制方式轉(zhuǎn)向分散控制方式。根據(jù)對(duì)這種新的控制模式的研究表明，采用分散控制系統(tǒng)要比采用集中控制系統(tǒng)可節(jié)省費(fèi)用5%。這主要是由于分散控制系統(tǒng)可減少電纜敷設(shè)費(fèi)用(采用總線(xiàn)系統(tǒng))、減少電氣保養(yǎng)維修費(fèi)(由于提高了透明度)、省去控制柜臺(tái)架(分散控制系統(tǒng)的控制柜直接設(shè)置在自動(dòng)線(xiàn)的加工工位上)和無(wú)需設(shè)置集中冷卻裝置等。此外，這種分散控制系統(tǒng)由于總體配置簡(jiǎn)單，有利于加快自動(dòng)線(xiàn)的投入運(yùn)行，并由于一目了然的結(jié)構(gòu)配置，在產(chǎn)生故障時(shí)很容易確定故障的部位。最后，分散控制系統(tǒng)的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化也有利于降低成本和提高透明度。

    切削過(guò)程監(jiān)控(刀具碰撞、刀具磨損和刀具破損等監(jiān)控)是現(xiàn)代自動(dòng)線(xiàn)過(guò)程監(jiān)控的重要組成部分。在切削加工中，主要的干擾是來(lái)自刀具，象汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋和變速箱體等復(fù)雜工件的加工，往往要采用許多條自動(dòng)線(xiàn)，上千把刀具，刀具出現(xiàn)超過(guò)磨損極限和破損的概率比較高。一旦某把刀具出現(xiàn)故障，如不及時(shí)進(jìn)行識(shí)別和報(bào)警，就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)二次故障、產(chǎn)生廢品和損壞機(jī)床等事故，使自動(dòng)線(xiàn)停機(jī)次數(shù)和停機(jī)時(shí)間增多，從而導(dǎo)致自動(dòng)線(xiàn)利用率的降低。而通過(guò)對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控可顯著地減少自動(dòng)線(xiàn)的停機(jī)時(shí)間。如德國(guó)一汽車(chē)廠(chǎng)的缸蓋加工自動(dòng)線(xiàn)，由于采用了切削過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)，使自動(dòng)線(xiàn)的生產(chǎn)率提高了8%。

    在自動(dòng)線(xiàn)上，對(duì)多軸鉆削和攻絲進(jìn)行監(jiān)控具有特別重要意義。由于傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，多軸鉆削監(jiān)控和攻絲監(jiān)控技術(shù)已日趨成熟。

    為對(duì)攻絲過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，在攻絲接頭中設(shè)有長(zhǎng)度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)以及在快換夾頭中設(shè)置可調(diào)整扭矩值的扭矩離合器，離合器的扭矩值應(yīng)根據(jù)絲錐直徑、螺距和工件材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)絲維磨鈍或攻絲底孔有誤差時(shí)，快換夾頭中的扭矩離合器就起動(dòng)，這時(shí)由于強(qiáng)制的機(jī)床進(jìn)給使攻絲接頭中的長(zhǎng)度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)壓縮。這種軸向移動(dòng)使裝在接頭中的高頻發(fā)生器通過(guò)裝在同一接頭里的發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出高頻信號(hào)，該信號(hào)被機(jī)床旁的接收器天線(xiàn)接收，通過(guò)與機(jī)床控制系統(tǒng)聯(lián)接的該接收器發(fā)出指令使機(jī)床停止工作；并可發(fā)出光或聲響進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)，一個(gè)裝在接頭上的紅色目視環(huán)產(chǎn)生軸向移動(dòng)，這樣，如在多軸攻絲時(shí)，即使都用同一頻率也可立即看出在哪一個(gè)攻絲主軸上發(fā)生了故障。故障排除后，這個(gè)紅色目視環(huán)應(yīng)重新把它移到原來(lái)的位置上。

    攻螺紋時(shí)，使用這種監(jiān)控系統(tǒng)，一方面可以減少絲錐的折斷率，另一方面可提高絲錐加工工件的件數(shù)。據(jù)資料介紹、美國(guó)一汽車(chē)廠(chǎng)在未采用監(jiān)控系統(tǒng)前，絲錐折斷每年為1430次，采用監(jiān)控系統(tǒng)后，絲錐折斷降低為260次，返修品由年1134件降為8件。在德國(guó)大眾汽車(chē)廠(chǎng)，前些年已使用這種系統(tǒng)1500套，在未采用監(jiān)控系統(tǒng)前，為確保攻螺紋過(guò)程的可靠性，對(duì)絲錐采用強(qiáng)制更換，規(guī)定一把絲錐加工1000件后即進(jìn)行更換。采用監(jiān)控系統(tǒng)后，一把絲錐加工的工件數(shù)達(dá)到了2000件。

7、 其它技術(shù)的應(yīng)用動(dòng)向

    在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的組合機(jī)床行業(yè)中，下列技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用。

    組合機(jī)床設(shè)計(jì)普及CAD技術(shù)

    在國(guó)外許多公司中，組合機(jī)床設(shè)計(jì)已普遍采用CAD工作站，在設(shè)計(jì)室?guī)缀鹾茈y見(jiàn)到傳統(tǒng)的繪圖板。CAD除應(yīng)用于繪圖工作外，并在構(gòu)件的剛度分析(有限元方法)、組合機(jī)床及自動(dòng)線(xiàn)設(shè)計(jì)方案比較和選擇，以及方案報(bào)價(jià)等方面均已得到廣泛應(yīng)用，從而顯著地提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和縮短了設(shè)計(jì)周期。加之國(guó)外許多公司在組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)組成模塊方面的系列化和通用化程度很高(一般達(dá)90%以上)，使組合機(jī)床和自動(dòng)線(xiàn)的交貨期進(jìn)一步縮短。如意大利IMAS公司，一臺(tái)復(fù)雜程度較高的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)式組合機(jī)床從訂單到供貨一般為8個(gè)月；德國(guó)Honsberg公司為前蘇聯(lián)制造的加工變速箱體和箱蓋的兩條柔性自動(dòng)線(xiàn)從訂單到供貨僅為14個(gè)月。

推行并行工程

    近十年來(lái)，為縮短汽車(chē)開(kāi)發(fā)周期、降低制造費(fèi)用和提高產(chǎn)品質(zhì)量，世界上許多汽車(chē)廠(chǎng)都在積極推行日本豐田汽車(chē)公司首創(chuàng)的精益生產(chǎn)方式(Lean Production)。旨在從整體優(yōu)化的觀(guān)點(diǎn)合理配置和利用企業(yè)擁有的生產(chǎn)要素，以達(dá)到高速、高效、高質(zhì)量和低成本地開(kāi)發(fā)制造汽車(chē)，促使企業(yè)獲得更高的綜合效益。

    精益生產(chǎn)方式的重要內(nèi)容之一是并行工程。根據(jù)并行工程的組織原則，要求在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，所有各相關(guān)的設(shè)計(jì)和制造活動(dòng)之間按時(shí)間并行地進(jìn)行密切合作和協(xié)調(diào)。也就是要求產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部門(mén)、生產(chǎn)規(guī)劃部門(mén)和設(shè)備制造廠(chǎng)之間進(jìn)行緊密合作，對(duì)要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品和加工裝備同時(shí)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，及早地發(fā)現(xiàn)和改正產(chǎn)品(工件)可能存在的錯(cuò)誤，并盡早確定主要的生產(chǎn)工藝裝備，從而達(dá)到改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低制造費(fèi)用、提高產(chǎn)品質(zhì)量和工藝裝備質(zhì)量的目的。

    從并行工程的基本思想看，這一方法似乎也不是新發(fā)明。因?yàn)樵谕ǔＴO(shè)計(jì)組合機(jī)床時(shí)，同樣要求組合機(jī)床制造廠(chǎng)與用戶(hù)之間進(jìn)行密切合作，以便使專(zhuān)用設(shè)備能更好地滿(mǎn)足用戶(hù)的各種要求。但是，并行工程同這種做法有著本質(zhì)上的不同。眾所周知，組合機(jī)床制造廠(chǎng)總是根據(jù)用戶(hù)提供的工件圖紙和樣件來(lái)進(jìn)行專(zhuān)用設(shè)備的設(shè)計(jì)的，在工作環(huán)節(jié)上是一種按順序進(jìn)行的作業(yè)。而并行工程則突破了這種上下道作業(yè)的工作程序，它要求通過(guò)裝備制造部門(mén)早期介入用戶(hù)產(chǎn)品的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門(mén)考慮其結(jié)構(gòu)和功能時(shí)，能協(xié)同考慮產(chǎn)品的加工和裝配工藝(以制造工藝和裝配工藝帶動(dòng)設(shè)計(jì))，從而加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，同時(shí)達(dá)到降低制造費(fèi)用和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

    在國(guó)外，近十年來(lái)，很多汽車(chē)制造廠(chǎng)都在積極推行并行工程，并有不少組合機(jī)床制造廠(chǎng)與汽車(chē)廠(chǎng)密切合作應(yīng)用這一方法來(lái)加速專(zhuān)用裝備的設(shè)計(jì)制造。例如，美國(guó)的Ingersoll和Lamb，德國(guó)的Grob和Ex-cell-o等公司都應(yīng)用并行工程分別為一些汽車(chē)廠(chǎng)設(shè)計(jì)制造了眾多的缸體、缸蓋和變速箱體等加工自動(dòng)線(xiàn)，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

8 結(jié)束語(yǔ)

    近20年來(lái)，組合機(jī)床自動(dòng)線(xiàn)技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，自動(dòng)線(xiàn)在加工精度、生產(chǎn)效率、利用率、柔性化和綜合自動(dòng)化等方面的巨大進(jìn)步，標(biāo)志著組合機(jī)床自動(dòng)線(xiàn)技術(shù)發(fā)展達(dá)到的高水平。自動(dòng)線(xiàn)的技術(shù)發(fā)展，刀具、控制和其它相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步以及用戶(hù)需求變化起著重要的推動(dòng)作用，其中，特別是CNC控制技術(shù)對(duì)自動(dòng)線(xiàn)結(jié)構(gòu)的變革及其柔性化起著決定性作用。

    隨著市場(chǎng)需求的變化，柔性將愈來(lái)愈成為決擇設(shè)備的重要因素。因此，自動(dòng)線(xiàn)將面臨由高速加工中心組成的FMS的激烈競(jìng)爭(zhēng)。