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組合機床和自動線的技術發(fā)展組合機床和組合機床自動線是一種專用高效自動化技術裝備，目前，由于它仍是大批量機械產(chǎn)品實現(xiàn)高效、高質量和經(jīng)濟性生產(chǎn)的關鍵裝備，因而被廣泛應用于汽車、拖拉機、內(nèi)燃機和壓縮機等許多工業(yè)生產(chǎn)領域。其中，特別是汽車工業(yè)，是組合機床和自動線最大的用戶。如德國大眾汽車廠在 Salzgitter 的發(fā)動機工廠，90 年代初所采用的金屬切削機床主要是自動線(60%)、組合機床(20%)和加工中心(20%)。顯然，在大批量生產(chǎn)的機械工業(yè)部門，大量采用的設備是組合機床和自動線。因此，組合機床及其自動線的技術性能和綜合自動化水平，在很大程度上決定了這些工業(yè)部門產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質量和企業(yè)生產(chǎn)組織的結構，也在很大程度 決定了企業(yè)產(chǎn)品的競爭力。 現(xiàn)代組合機床和自動線作為機電一體化產(chǎn)品，它是控制、驅動、測量、監(jiān)控、刀具和機械組件等技術的綜合反映。近 20 年來，這些技術有長足進步，同時作為組合機床主要用戶的汽車和內(nèi)燃機等行業(yè)也有很大的變化，其產(chǎn)品市場壽命不斷縮短，品種日益增多且質量不斷提高。這些因素有力地推動和激勵了組合機床和自動線技術的不斷發(fā)展。 1、組合機床品種的發(fā)展重點在組合機床這類專用機床中，回轉式多工位組合機床(圖 2)和自動線占有很重要的地位。因為這兩類機床可以把工件的許多加工工序分配到多個加工工位上，并同時能從多個方向對工件的幾個面進行加工，此外，還可以通過轉位夾具(在回轉工作臺機床上) 或通過轉位、翻轉裝置(在自動線上)實現(xiàn)工件的五面加工或全部加工，因而具有很高的自動化程度和生產(chǎn)效率，被汽車、摩托車和壓縮機等工業(yè)部門所采用。 根據(jù)有關統(tǒng)計資料，德國在 1990～1992 年期間，回轉式多工位組合機床和自動線的產(chǎn)量約各占組合機床總數(shù)的 50%左右。應指出，回轉式多工位組合機床實際上是一種特殊型式的小型自動線，適合于加工輪廓尺寸≤250mm 的中小件。與自動線相比，在加工同一種工件的情況下，回轉式多工位組合機床所占作業(yè)面積要比自動線約小 2/3。 2、自動線節(jié)拍時間進一步縮短 目前，以大批量生產(chǎn)為特征的轎車和輕型載貨車，其發(fā)動機的年產(chǎn)量通常為 60 萬臺左右，實現(xiàn)這樣大的批量生產(chǎn)，回轉式多工位組合機床和自動線在三班運行的情況下，其節(jié)拍時間一般為 20～30 秒，當零件生產(chǎn)批量更大時，機床的節(jié)拍時間還要更短些(表 1)。在 70 年代，自動線要實現(xiàn)這樣短的節(jié)拍，往往要采用并列的雙工位或設置雙線的辦法，即對決定自動線節(jié)拍的、工序時間最長的加工工序要通過并聯(lián)兩個相同的加工工位，如果限制性工序較多時，則通過采用兩條相同的自動線來平衡自動線系統(tǒng)的加工節(jié)拍。顯然，這樣就要增加設備投資和作業(yè)面積。 縮短基本時間的主要途徑是采用新的刀具材料和新穎刀具，以通過提高切削速度和進給速度來縮短基本時間。例如，德國大眾汽車廠在加工鋁合金缸蓋燃燒室側面時，采用 PCD 銑刀，銑削速度高達 3075m/min，進給速度達3600mm/min；又如，在鏜削灰鑄鐵缸體的缸孔時，采用裝有三個可轉位 CBN刀片的新穎鏜刀頭，切削速度達 800m/min，進給速度為 1500mm/min，加工深度為 146mm 的缸孔，其實際加工時間僅為 5.8s，比傳統(tǒng)加工工藝可縮短 2/3 的加工時間。 縮短輔助時間主要是縮短包括工件輸送、加工模塊快速引進以及加工模塊由快進轉換為工進后至刀具切入工件所花的時間。為縮短這部分空行程時間，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速度。目前，隨行夾具的輸送速度可達 60m/min 或更高些，加工模塊快速移動速度達 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驅動的輸送裝置。70 年代末期，Honsberg 公司在其加工變速箱體的自動線上就采用了電液比例閥控制的輸送裝置。該自動線長 18.2m，有 12 個加工工位，輸送步距為 1400mm，輸送重量為 7000kg，輸送速度達 45.6m/min，一個步距的輸送時間僅為 2.5s。為該輸送裝置的運動特性曲線。由于電液比例閥控制系統(tǒng)具有良好的啟動和制動性能，且系統(tǒng)結構簡單，至今，這種輸送裝置仍被許多自動線所采用。 3、組合機床柔性化進展迅速十多年來，作為組合機床重要用戶的汽車工業(yè)，為迎合人們個性化需求，汽車變型品種日益增多(圖 5)，以多品種展開競爭已成為汽車市場競爭的特點之一，這使組合機床制造業(yè)面臨著變型多品種生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。為適應多品種生產(chǎn)，傳統(tǒng)以加工單一品種的剛性組合機床和自動線必須提高其柔性。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 等公司相繼開發(fā)出數(shù)控加工模塊和柔性自動線(FTL)，從此數(shù)控組合機床和柔性自動線逐年增多。在 1988 年至 1992 年間，日本組合機床和自動線(包括部分其它形式的專用機床)產(chǎn)量的數(shù)控化率已達32%～ 39%，產(chǎn)值數(shù)控比率達 35%～51% ；德國組合機床和自動線產(chǎn)量的數(shù)控化率為 18%～62%，產(chǎn)值數(shù)控化率達 45%～66%( 表 2)。這些數(shù)字表明，近十年來，組合機床的數(shù)控化發(fā)展是十分迅速的。應指出，進入 90 年代以來，汽車市場競爭更趨激烈，產(chǎn)品市場壽命進一步縮短，新車型的開發(fā)周期日益縮短(目前一般為 35 個月)，汽車品種不斷增多，因而汽車工業(yè)對柔性自動化技術裝備的需求量日益增多。如日本豐田汽車公司，在本世紀末的目標是公司下屬工廠的柔性化加工系統(tǒng)的普及率達到 100%。很顯然，組合機床及其自動線在保持其高生產(chǎn)效率的條件下，進一步提高其柔性就愈來愈具有重要意義。 組合機床的柔性化主要是通過采用數(shù)控技術來實現(xiàn)的。開發(fā)柔性組合機床和柔性自動線的重要前提是開發(fā)數(shù)控加工模塊，而有著較長發(fā)展歷史的加工中心技術為開發(fā)數(shù)控加工模塊提供了成熟的經(jīng)驗。由數(shù)控加工模塊組成的柔性組合機床和柔性自動線，可通過應用和改變數(shù)控程序來實現(xiàn)自動換刀、自動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，以適應變型品種的加工。柔性組合機床和柔性自動線用的數(shù)控加工模塊，按其數(shù)控坐標(軸)數(shù)，主要有單坐標(Z)、雙坐標 (X-Z、Y-Z、 Z-U 和 Z-B 等)和三坐標(X-Y-Z)加工模塊；按其主軸數(shù)，有單軸和多軸加工模塊，也有單軸和多軸復合加工模塊。單坐標加工模塊由數(shù)控滑臺和主軸部件(或多軸箱，包括可換多軸箱)組成。雙坐標加工模塊由數(shù)控十字滑臺和主軸部件組成，例如數(shù)控雙坐標銑削模塊。立柱移動式數(shù)控三坐標加工模塊(圖 6)，其刀具能在三個坐標上實現(xiàn)運動，可根據(jù)加工工件的品種和加工任務配備刀庫、換刀機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線實現(xiàn)多品種加工最重要的模塊之一。 立柱移動式 CNC 三坐標加工模塊可利用 X 軸和 Y 軸的聯(lián)動來實現(xiàn)周邊銑削工藝，特別是在銑削象變速箱體這類剛性較差的工件時，可采用較小直徑的銑刀，實現(xiàn)高速(切削速度達 2500m/min)周邊銑削，由此減小加工時的切削力和工件的變形。這比采用雙坐標銑削加工模塊用大直徑銑刀進行銑削要優(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類工件的柔性組合機床和柔性自動線。這類模塊有多種不同的結構形式，但基本上可分為自動換箱式多軸加工模塊、轉塔式多軸加工模塊和回轉工作臺式多軸加工模塊。自動換箱式模塊由于可在專門設置的多軸箱庫中儲存較多的多軸箱，故可用來加工較多不同品種的工件。而轉塔式和回轉工作臺式多軸加工模塊，由于在轉塔頭和回轉工作臺上允許裝的多軸箱數(shù)量有限 (一般為 4～6 個)，所以這種加工模塊只能實現(xiàn)有限品種的加工。 在自動線上采用 CNC 三坐標加工模塊和轉塔式多軸加工模塊，不僅可實現(xiàn)不同品種工件的加工，而且在自動線節(jié)拍時間內(nèi)(如果節(jié)拍時間允許的話)，這類加工模塊還可以在同一個加工工位上通過其自動換刀或換箱，依次實現(xiàn)多道加工工序(粗鏜、半精鏜和精鏜；鉆孔、擴孔和攻絲)，從而減少自動線的加工工位數(shù)，縮短自動線的長度。單軸和多軸復合加工模塊是一種三坐標數(shù)控加工模塊，可通過自動換刀或自動更換多軸箱而實現(xiàn)單軸加工或多軸加工。值得提及的是，在 80 年代中期德國 Honsberg 公司推出的 CNCMACH 模塊化系統(tǒng)(圖10)是很有特色的一種模塊化系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分應用模塊化結構原理，在作為系統(tǒng)基礎模塊的 CNC 三坐標模塊上，通過增減各種不同的功能模塊，拼裝成各種不同坐標或不用工藝用途的加工模塊。具體地說，從坐標看，除三坐標外，還可組成雙坐標和單坐標加工模塊；從刀庫看，可裝設刀具庫和多軸箱庫，可單獨實現(xiàn)刀具或多軸箱的自動更換，也可依次實現(xiàn)刀具和多軸箱的更換。 CNC/MACH 系統(tǒng)，不僅在機械結構方面，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線(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，機器人和伺服驅動的夾具也是柔性組合機床和柔性自動線的重要部件。特別在柔性自動線上，目前已較普遍地采用龍門式空架機器人進行工件的自動上下料，用于工件的轉位或翻轉。為搬運不同的工件，可在自動線旁設置手爪庫，以實現(xiàn)手爪的自動更換。夾具配備伺服驅動裝置，以適應工件族內(nèi)不同工件的自動夾緊。 該線采用的數(shù)控加工模塊有四個雙坐標數(shù)控銑削模塊、六個數(shù)控轉塔式多軸加工模塊和六個數(shù)控三坐標加工模塊。輔助工位有清洗工位和采用機器人進行操作的裝夾工作站。由于組成自動線的加工模塊都是數(shù)控的，當由一種工件的加工變換為另一種工件的加工時，只需通過改變數(shù)控程序就行了，而無需進行機械等方面的調(diào)整和改裝。 4、綜合自動化程度日益提高近十年來，為進一步提高工件的加工精度和減少工件在生產(chǎn)過程中的中間儲存、搬運以及縮短生產(chǎn)流程時間，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、測量、裝配和試漏等)集成到自動線或自動線組成的生產(chǎn)系統(tǒng)中(圖 15)，以實現(xiàn)工件加工、表面處理、測量和裝配等工序的綜合自動化。 清洗：在自動線和自動線組成的生產(chǎn)系統(tǒng)中，清洗設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、工件基準面加工后、去毛刺后、測量前以及裝配前所進行的各種清洗。 當今，鑒于我們?nèi)祟愘囈陨娴沫h(huán)境日益受到工業(yè)污染的破壞，環(huán)境保護已引起人們的普遍重視。近年來，國內(nèi)外越來越關注工業(yè)清洗對環(huán)境的污染。這就促使許多工業(yè)部門的零件清洗轉向應用水劑清洗(采用酸性、中性或堿性清洗液，清洗液中主要含有磷酸鹽、活性劑和絡合劑等)，這種水劑清洗主要根據(jù)工件清洗質量要求而采用噴淋(分散清洗)和浸漬(集中清洗)兩種工藝。 基于環(huán)境保護、現(xiàn)場操作工人的保健和清洗工藝的合理化等要求，目前，清洗機已普遍采用封閉式布局，整個清洗過程是自動進行的，設備控制采用可編程控制器，并自動監(jiān)控所有機械動作和工藝技術參數(shù)。在這類清洗機上集成了蒸發(fā)、過濾、材料回收和處理等裝置，圖 16 所示是德國奔馳汽車公司轉向器殼的清洗流程。該清洗機采用封閉式布局，清洗過程是在一個封閉系統(tǒng)中進行的，通過一個清洗液凈化輔助系統(tǒng)來實現(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清洗凈化和回收模塊。該模塊由超精過濾器和蒸發(fā)器聯(lián)合組成，利用這個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。 5、自動測量 在自動線上采用自動測量旨在對工件的加工質量進行監(jiān)控。近幾年來，由于自動線節(jié)拍時間的日益縮短、被測工件的精度要求越來越高以及測量又要在生產(chǎn)條件下進行，因此，自動測量系統(tǒng)不僅要具有很高的工作速度和很高的工作精度，并且要具有較強的抗環(huán)境干擾(如切屑、塵埃、冷卻液蒸汽、油液、振動和溫度等) 能力或測量系統(tǒng)具有對某些干擾量能進行自動補償?shù)男阅堋?在自動線上，自動測量可分為加工前測量和加工后測量。 加工前測量是在工件加工前通過測量以確定工件的特征，并利用測量結果來調(diào)整刀具相對于工件待加工部位的位置，然后進行相應的加工。例如，在銑削缸蓋底平面時，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)動機性能)，故采用了測量控制的銑削方法。銑削前，缸蓋在隨行夾具中找正和夾緊，接著采用多個氣動測量頭測出各燃燒室的深度，由最大值和最小值求出平均值，然后利用該值通過相應的控制來調(diào)整銑頭相對于工件的位置再進行銑削。 近年來，在自動線上，工件精加工后普遍進行 100%的檢驗測量，為此，在精加工工位后設置測量工位。圖 17 所示是缸蓋進排氣閥座和導管孔綜合精度自動測量裝置。該裝置采用四個氣動測量頭同時對四個閥座和導管進行測量。在測量閥座錐面的測量頭上設有約 50μm 隙縫寬的環(huán)形噴嘴，測量導管孔的心棒同樣設有測量噴嘴。當該心棒低速引入導管孔時，以閥座錐面自動定心和找正，這是通過專門設計的滾動軸承來實現(xiàn)的，并借助于彈簧給測量閥座錐面幾何精度的測量頭施加一定的貼合力，以使測量頭靠在閥座的錐面上。當接通壓縮空氣進行測量時，就可通過從環(huán)形噴嘴中排出的氣體量來測定。組 合 機 床 未 來 的 發(fā) 展 將 更 多 的 采 用 調(diào) 速 電 動 機 和 滾 珠 絲 杠 等 傳 動 ， 以 簡化 結 構 、 縮 短 生 產(chǎn) 節(jié) 拍 ； 采 用 數(shù) 字 控 制 系 統(tǒng) 和 主 軸 箱 、 夾 具 自 動 更 換 系 統(tǒng) ，以 提 高 工 藝 可 調(diào) 性 ， 以 及 納 入 柔 性 制 造 系 統(tǒng) 等 。