組合機床和自動線的技術發展（一）

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品實現高效、 高質量和經濟性生產的關鍵裝備，因而被廣泛應用于汽車、拖拉機、內燃機和壓縮機等許多工業生產領域。其中 ，特別是汽車工業，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，在大批量生產的機械工業 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部門產品的生產效率、產品質量和企業生產組織的結構，也在很大程度上決定了企業產品 的競爭力。

現代組合機床和自動線作為機電一體化產品，它是控制、驅動、測量、監控、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燃機等行業也有很大的變化，其 產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 不斷發展。

1 組合機床品種的發展重點

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效率，被汽車、摩托車和壓縮機等工業部門所采用。

根據有關統計資料，德國在1990～1992年期間，回轉式多工位組合機床和自動線的產量約各占組合機床總數 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面積要比自動線約小2/3。

2 自動線節拍時間進一步縮短

目前，以大批量生產為特征的轎車和輕型載貨車，其發動機的年產量通常為60萬臺左右，實現這樣大的批量 生產，回轉式多工位組合機床和自動線在三班運行的情況下，其節拍時間一般為20～30秒，當零件生產批量更大 時，機床的節拍時間還要更短些。在70年代，自動線要實現這樣短的節拍，往往要采用并列的雙工位或設 置雙線的辦法，即對決定自動線節拍的、工序時間最長的加工工序要通過并聯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的加工節拍。顯然，這樣就要增加設備投資和作業 面積。

自動線的短節拍，主要是通過縮短基本時間和輔助時間來實現的。

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，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具有良好的啟動和制動性能，且系統結 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，為迎合人們個性化需求，汽車變型品種日益增多，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面臨著變型多品種生產的挑戰。為適應多品 種生產，傳統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，數控系統的可靠性有了很大 的提高，故到70年代末和80年代初，像Alfing、Hüller-Hille 和Ex-cell-o等公司相繼開發出數控加工模塊和柔性自動線(FTL)，從此數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)產量的數控化率已達32%～39%，產值 數控比率達35%～51%；德國組合機床和自動線產量的數控化率為18%～62%，產值數控化率達45%～66%(表2)。這 些數字表明，近十年來，組合機床的數控化發展是十分迅速的。應指出，進入90年代以來，汽車市場競爭更趨激 烈，產品市場壽命進一步縮短，新車型的開發周期日益縮短(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控技術來實現的。開發柔性組合機床和柔性自動線的重要前提是開發 數控加工模塊，而有著較長發展歷史的加工中心技術為開發數控加工模塊提供了成熟的經驗。由數控加工模塊組 成的柔性組合機床和柔性自動線，可通過應用和改變數控程序來實現自動換刀、自動更換多軸箱和改變加工行程 、工作循環、切削參數以及加工位置等，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控加工模塊，按其數控坐標(軸)數，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，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控十字滑臺和 主軸部件組成，例如數控雙坐標銑削模塊。 立柱移動式數控三坐標加工模塊，其刀具能在三個坐標上實現運動，可根據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軸的聯動來實現周邊銑削工藝，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量有限 (一般為4～6個)，所以這種加工模塊只能實現有限品種的加工。

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，不僅可實現不同品種工件的加工，而且在自動線 節拍時間內(如果節拍時間允許的話)，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，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控加工模塊，可通過自動換刀或自動更換多軸箱而實現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模塊化系統是很有特色的一種模塊化系統，該系統充分應用模塊化結構原理，在作為系統基礎模塊的 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 現刀具或多軸箱的自動更換，也可依次實現刀具和多軸箱的更換。

CNC MACH系統，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(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，以實現手爪的自動更換。夾具配備伺服驅動裝置，以適應工件族內不同工 件的自動夾緊。 所示是一條加工載重卡車八種變速箱體的柔性自動線。該線采用的數控加工模塊有四個雙坐標數控銑削模 塊、六個數控轉塔式多軸加工模塊和六個數控三坐標加工模塊。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 改變數控程序就行了，而無需進行機械等方面的調整和改裝。

所示是一條加工軸承蓋的柔性自動線，加工工件品種多達43種，節拍時間僅為6秒。為滿足這種多品種的 加工，在自動線上采用9個CNC三坐標加工模塊(其中2個模塊的刀庫容量為80把刀)，7個CNC單坐標加工模塊。

組合機床自動線柔性化的迅速發展和節拍時間的日益縮短，充分顯示了CNC技術和刀具技術給組合機床自動線 帶來的巨大技術進步，使柔性自動線在多品種、大批量生產中成為重要的技術裝備。 但在這里必須指出，在組合機床和自動線實現柔性化發展的同時，加工中心高速化發展異常迅速。90年代初， 由這類高速加工中心組成的柔性生產線進入大批量生產領域，出現了加工中心與自動線競爭的局面。