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组合机床翻译中文
组合机床和自动线的发展趋势
摘要：
组合机床和组合机床自动线是一种专用高效自动化技术装备，被广泛应用于汽车、拖拉机、内燃机和压缩机等许多工业生产领域。
组合机床及其自动线的技术性能和综合自动化水平在很大程度上决定了企业产品的竞争力。
现代组合机床和自动线作为机电一体化产品，它是控制、驱动、测量、监控、刀具和机械组件等技术的综合反映。
近20年来，组合机床和自动线技术的不断发展。
关键词：
组合机床自动线节拍；组合机床柔性化；组合机床自动线柔性化；组合机床综合自动化程度；组合机床自动线可靠性和利用率
1.组合机床品种的发展重点
在组合机床中，回转式多工位组合机床（图2）和自动线（图3）占有很重要的地位。
因为这两类机床可以把工件的许多加工工序分配到多个加工工位上，并同时能从多个方向对工件的几个面进行加工，此外，还可以通过转位夹具（在回转工作台机床上）或通过转位、翻转装置（在自动线上）实现工件的五面加工或全部加工，因而具有很高的自动化程度和生产效率，被汽车、摩托车和压缩机等工业部门所采用。
图1鼓轮式组合机床（水平回转轴线）
图2回转式多工位组合机床
图3自动线
2.自动线节拍时间进一步缩短
目前，以大批量生产为特征的轿车和轻型载货车，回转式多工位组合机床和自动线在三班运行的情况下，其节拍时间一般为20～30秒，当零件生产批量更大时，机床的节拍时间还要更短些（表1）。
表1国外部分自动线和回转式多工位组合机床的节拍时间
表1国外部分自动线和回转式多工位组合机床的节拍时间工件名称
机床类别
节拍时间
（s）
制造厂名称
V6缸体
自动线
25.5
德国Cross
缸盖
自动线
18
西班牙Etxe-tar
变速箱体
自动线
18
德国Ex-cell-o
连杆
自动线
22
德国Alfing
轴承盖
自动线
5
德国Alfing
自动线的短节拍，主要是通过缩短基本时间和辅助时间来实现的。
缩短基本时间的主要途径是采用新的刀具材料和新颖刀具，以通过提高切削速度和进给速度来缩短基本时间。
例如，德国大众汽车厂在加工铝合金缸盖燃烧室侧面时，采用PCD铣刀，铣削速度高达3075m/min，进给速度达3600mm/min；在镗削灰铸铁缸体的缸孔时，采用装有三个可转位CBN刀片的新颖镗刀头，切削速度达800m/min，进给速度为1500mm/min，加工深度为146mm的缸孔，其实际加工时间仅为5.8s，比传统加工工艺可缩短2/3的加工时间。
缩短辅助时间主要是缩短包括工件输送、加工模块快速引进以及加工模块由快进转换为工进后至刀具切入工件所花的时间。
为缩短这部分空行程时间，普遍采用提高工件（工件直接输送）或随行夹具的输送速度和加工模块的快速移动速度。
目前，随行夹具的输送速度可达60m/min或更高些，加工模块快速移动速度达40m/min。
目前，随行夹具高速输送装置常用的有电液比例阀控制的或摆线驱动的输送装置。
电液比例阀控制系统具有良好的启动和制动性能，且系统结构简单，这种输送装置仍被许多自动线所采用。
3.组合机床柔性化进展迅速
汽车工业，为迎合人们个性化需求，汽车变型品种日益增多，以多品种展开竞争已成为汽车市场竞争的特点之一，这使组合机床制造业面临着变型多品种生产的挑战。
为适应多品种生产，传统以加工单一品种的刚性组合机床和自动线必须提高其柔性。
汽车市场竞争更趋激烈，产品市场寿命进一步缩短，新车型的开发周期日益缩短（目前一般为35个月），汽车品种不断增多，因而汽车工业对柔性自动化技术装备的需求量日益增多。
组合机床及其自动线在保持其高生产效率的条件下，进一步提高其柔性就愈来愈具有重要意义。
图4立柱移动式数控三坐标加工模块
图5自动换箱式多轴加工模块
图6转塔式多轴加工模块
图7回转工作台式多轴加工模块
组合机床的柔性化主要是通过采用数控技术来实现的。
开发柔性组合机床和柔性自动线的重要前提是开发数控加工模块，而有着较长发展历史的加工中心技术为开发数控加工模块提供了成熟的经验。
柔性组合机床和柔性自动线用的数控加工模块，按其数控坐标（轴）数，主要有单坐标（Z）、双坐标（X-Z、Y-Z、Z-U和Z-B等）和三坐标（X-Y-Z）加工模块；按其主轴数，有单轴和多轴加工模块，也有单轴和多轴复合加工模块。
单坐标加工模块由数控滑台和主轴部件（或多轴箱，包括可换多轴箱）组成。
双坐标加工模块由数控十字滑台和主轴部件组成，如数控双坐标铣削模块。
立柱移动式数控三坐标加工模块（图4），其刀具能在三个坐标上实现运动，可根据加工工件的品种和加工任务配备刀库、换刀机械手以及所需的刀具，具有很高的柔性。
这种加工模块是柔性自动线实现多品种加工最重要的模块之一。
立柱移动式CNC三坐标加工模块可利用X轴和Y轴的联动来实现周边铣削工艺，特别是在铣削象变速箱体这类刚性较差的工件时，可采用较小直径的铣刀，实现高速（切削速度达2500m/min）周边铣削，由此减小加工时的切削力和工件的变形。
这比采用双坐标铣削加工模块用大直径铣刀进行铣削要优越得多。
多轴加工模块是又一种重要模块，主要用于加工箱体和盘类工件的柔性组合机床和柔性自动线。
这类模块有多种不同的结构形式，但基本上可分为自动换箱式多轴加工模块（图5）、转塔式多轴加工模块（图6）和回转工作台式多轴加工模块（图7）。
自动换箱式模块由于可在专门设置的多轴箱库中储存较多的多轴箱，故可用来加工较多不同品种的工件。
而转塔式和回转工作台式多轴加工模块，由于在转塔头和回转工作台上允许装的多轴箱数量有限（一般为4～6个），所以这种加工模块只能实现有限品种的加工。
单轴和多轴复合加工模块是一种三坐标数控加工模块，可通过自动换刀或自动更换多轴箱而实现单轴加工或多轴加工。
80年代中期德国Honsberg公司推出的CNCMACH模块化系统是很有特色的一种模块化系统，该系统充分应用模块化结构原理，在作为系统基础模块的CNC三坐标模块上，通过增减各种不同的功能模块，拼装成各种不同坐标或不用工艺用途的加工模块。
具体地说，从坐标看，除三坐标外，还可组成双坐标和单坐标加工模块；从刀库看，可装设刀具库和多轴箱库，可单独实现刀具或多轴箱的自动更换，也可依次实现刀具和多轴箱的更换。
CNCMACH系统，不仅在机械结构方面，而且在控制和软件等方面也是模块化的。
因此，利用该系统模块，可以很方便地拼装成柔性自动线（FTL）、柔性加工单元（FMC）或柔性制造系统（FMS）。
除上述各种CNC加工模块外，机器人和伺服驱动的夹具也是柔性组合机床和柔性自动线的重要部件。
组合机床自动线柔性化的迅速发展和节拍时间的日益缩短，充分显示了CNC技术和刀具技术给组合机床自动线带来的巨大技术进步，使柔性自动线在多品种、大批量生产中成为重要的技术装备。
在组合机床和自动线实现柔性化发展的同时，加工中心高速化发展异常迅速。
90年代初，由于高速加工中心组成的柔性生产线进入大批量生产领域，出现了加工中心与自动线竞争的局面。
4.加工精度日益提高
表2轿车发动机关键件的精度
工件名称
项目
数值
气缸体
顶底面的平面度
0.02mm/1000mm
缸孔孔径精度
IT6
主轴孔同轴度
f0.01mm
缸体止口深度
0.01～0.02mm
气缸盖
进排气阀座与导管孔的同轴度
f0.02mm
导管孔孔径精度
IT6
气缸体和气缸盖等箱体件
工艺定位销孔
孔径精度
IT5
孔距精度
+0.01mm
变速箱体
传动轴孔孔距精度
+0.02mm
孔径精度
IT6
连杆
大小头孔
孔径精度
IT6（大头孔）
IT5（小头孔）
孔距精度
+0.01mm
螺栓定位孔
孔径精度
IT6
孔距精度
+0.03mm
汽车制造业为增强其汽车的竞争力，不断地加严其发动机关键件的制造公差（表2），并通过计算机辅助测量和分析方法，以及通过设备能力检验来提高其产品的质量。
目前，在验收组合机床和自动线时，已普遍要求设备的工序能力系数要大于1.33，有的甚至要求工序能力系数要大于1.67，以便确保稳定的加工精度。
组合机床制造厂为了满足用户对工件加工精度的高要求，除了进一步提高主轴部件、镗杆、夹具（包括镗模）的精度，采用新的专用刀具，优化切削工艺过程，采用刀具尺寸测量控制系统和控制机床及工件的热变形等一系列措施外。
目前，在自动线上这种质量保证系统愈来愈多地被用来对整个生产过程中的加工质量进行连续监控。
5.综合自动化程度日益提高
为进一步提高工件的加工精度和减少工件在生产过程中的中间储存、搬运以及缩短生产流程时间，将工件加工流程中的一些非切削加工工序（如工序间的清洗、测量、装配和试漏等）集成到自动线或自动线组成的生产系统中，以实现工件加工、表面处理、测量和装配等工序的综合自动化。
清洗：
在自动线和自动线组成的生产系统中，清洗设备主要用于工件的工序间清洗和工件的最终清洗。
工件的工序间清洗主要是为下一道工序创造必要的工作条件。
近年来，国内外越来越关注工业清洗对环境的污染。
自动测量：
在自动线上采用自动测量旨在对工件的加工质量进行监控。
近几年来，由于自动线节拍时间的日益缩短、被测工件的精度要求越来越高以及测量又要在生产条件下进行。
因此，自动测量系统不仅要具有很高的工作速度和很高的工作精度，并且要具有较强的抗环境干扰（如切屑、尘埃、冷却液蒸汽、油液、振动和温度等）能力或测量系统具有对某些干扰量能进行自动补偿的性能。
装配：
在主体工件的加工过程中，有的需要将个别零件装配到主体件上后再继续进行加工。
在现代化生产中，已普遍地将这类工序间装配集成到自动线或自动线组成的生产系统中。
密封性试验：
对一些有密封性能要求的工件（如缸体、缸盖和进排气管等），在自动线上经一定的切削加工后，需进行密封性试验，以防止不合格工件进入下一道工序，以致影响产品性能。
6.自动线可靠性和利用率不断改善和提高
为提高自动线加工过程的可靠性、利用率和工件的加工质量，自动线上愈来愈多的采用过程监控，对其各组成设备的功能、加工过程和工件加工质量进行监控，以便快速识别故障、快速进行故障诊断和早期预报加工偏差，使操作人员和维修人员能及时地进行干预，以缩短设备调试周期、减少设备停机时间和避免加工质量偏差。
显然，提高自动线的利用率和工件加工质量是生产控制和监控的主要目的。
从目前自动线生产控制和监控的内容看，生产控制和监控系统基本上是由质量监控系统、自动线运行控制与监控系统和刀具监控系统这几个部分组成的。
近年来，质量监控已日益成为现代自动线生产监控的重要一环。
由于汽车工业不断提高发动机质量，各汽车制造厂普遍要求将零件的设计公差带压缩1/3～1/2作为工序公差，对机床能力系数提出了很高的要求。
为此，自动线制造厂为确保设备具有稳定的加工质量，已日益重视应用SPC对自动线的生产过程进行连续监控，对加工质量偏差的趋向进行早期预报，以便把工件的加工公差始终控制在预定的范围内。
现代自动线的过程控制和监控不仅包含对变得愈来愈复杂的自动线的过程控制和对所有终点开关、电动机保护开关、节拍时间、冷却和润滑液的供给以及液压、气动功能等进行监控和诊断，而且还包括对刀具耐用度、设备维修间隔和工件计数等进行管理，并通过一些直观的过程图形显示、操作指引、故障报警和诊断指示，使操作人员更便于监控整个自动线的生产过程。
当前，自动线的控制技术已由集中控制方式转向分散控制方式。
根据对这种新的控制模式的研究表明，采用分散控制系统要比采用集中控制系统可节省费用5%。
这主要是由于分散控制系统可减少电缆敷设费用（采用总线系统）、减少电气保养维修费（由于提高了透明度）、省去控制柜台架（分散控制系统的控制柜直接设置在自动线的加工工位上）和无需设置集中冷却装置等。
分散控制系统的模块化和标准化也有利于降低成本和提高透明度。
切削过程监控（刀具碰撞、刀具磨损和刀具破损等监控）是现代自动线过程监控的重要组成部分。
在切削加工中，主要的干扰是来自刀具，象汽车发动机缸体、缸盖和变速箱体等复杂工件的加工，往往要采用许多条自动线，上千把刀具，刀具出现超过磨损极限和破损的概率比较高，通过对切削过程进行监控可显著地减少自动线的停机时间。
如德国一汽车厂的缸盖加工自动线，由于采用了切削过程监控系统，使自动线的生产率提高了8%。
在自动线上，对多轴钻削和攻丝进行监控具有特别重要意义。
由于传感器技术的不断进步，多轴钻削监控和攻丝监控技术已日趋成熟。
7.其它技术的应用动向
在工业发达国家的组合机床行业中，下列技术得到了较为广泛的应用。
组合机床设计普及CAD技术
CAD除应用于绘图工作外，并在构件的刚度分析（有限元方法）、组合机床及自动线设计方案比较和选择，以及方案报价等方面均已得到广泛应用，从而显著地提高了设计质量和缩短了设计周期。
国外许多公司在组合机床和自动线组成模块方面的系列化和通用化程度很高（一般达90%以上），使组合机床和自动线的交货期进一步缩短。
如意大利IMAS公司，一台复杂程度较高的回转工作台式组合机床从订单到供货一般为8个月。
推行并行工程
为缩短汽车开发周期、降低制造费用和提高产品质量，世界上许多汽车厂都在积极推行日本丰田汽车公司首创的精益生产方式（LeanProduction）。
旨在从整体优化的观点合理配置和利用企业拥有的生产要素，以达到高速、高效、高质量和低成本地开发制造汽车，促使企业获得更高的综合效益。
精益生产方式的重要内容之一是并行工程。
根据并行工程的组织原则，要求在产品开发的各个环节中，所有各相关的设计和制造活动之间按时间并行地进行密切合作和协调，要求产品开发部门、生产规划部门和设备制造厂之间进行紧密合作，对要设计的产品和加工装备同时进行规划和设计，及早地发现和改正产品（工件）可能存在的错误，并尽早确定主要的生产工艺装备，从而达到改进产品设计和制造工艺、缩短产品开发周期、降低制造费用、提高产品质量和工艺装备质量的目的。
从并行工程的基本思想看，这一方法似乎也不是新发明。
因为在通常设计组合机床时，同样要求组合机床制造厂与用户之间进行密切合作，以便使专用设备能更好地满足用户的各种要求。
众所周知，组合机床制造厂总是根据用户提供的工件图纸和样件来进行专用设备的设计的，在工作环节上是一种按顺序进行的作业。
而并行工程则突破了这种上下道作业的工作程序，它要求通过装备制造部门早期介入用户产品的规划和设计，在产品设计部门考虑其结构和功能时，能协同考虑产品的加工和装配工艺（以制造工艺和装配工艺带动设计），从而加速产品开发，同时达到降低制造费用和提高产品质量的目的。
在国外，很多汽车制造厂都在积极推行并行工程，并有不少组合机床制造厂与汽车厂密切合作应用这一方法来加速专用装备的设计制造。
例如，美国的Ingersoll和Lamb，德国的Grob和Ex-cell-o等公司都应用并行工程分别为一些汽车厂设计制造了众多的缸体、缸盖和变速箱体等加工自动线，取得了较好的技术经济效益。
8.结束语
近20年来，我国组合机床自动线技术取得了长足进步，自动线在加工精度、生产效率、利用率、柔性化和综合自动化等方面的巨大进步，标志着组合机床自动线技术发展达到的高水平。
自动线的技术发展，刀具、控制和其它相关技术的进步以及用户需求变化起着重要的推动作用，其中，特别是CNC控制技术对自动线结构的变革及其柔性化起着决定性作用。
随着市场需求的变化，柔性将愈来愈成为决择设备的重要因素。
因此，自动线也面临由高速加工中心组成的FMS的激烈竞争。
参考文献
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