組合機(jī)床和自動(dòng)線的技術(shù)發(fā)展（二）

4 加工精度日益提高

特別自80年代中期以來，汽車制造業(yè)為增強(qiáng)其汽車的競(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(表3)，并通過計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量和分析方法，以及通過設(shè)備能力檢驗(yàn)來提高其產(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(圖13)，這無疑是對(duì)組合機(jī)床和自動(dòng)線提出了更高的要求。組合機(jī)床制造廠為了滿足用戶對(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，采用新的專用刀具，優(yōu)化切削工藝過程，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)和過程統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制(SPC)的應(yīng)用已成為自動(dòng)線提高和監(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。圖14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)線上這種質(zhì)量保證系統(tǒng)愈來愈多地被用來對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程中的加工質(zhì)量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。表4是缸蓋氣門導(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。

5 綜合自動(dòng)化程度日益提高

近十年來，為進(jìn)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(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)線或自動(dòng)線組成的生產(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)線和自動(dòng)線組成的生產(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(hù)已引起人們的普遍重視。近年來，國(guó)內(nèi)外越來越關(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)。在這類清洗機(jī)上集成了蒸發(fā)、過濾、材料回收和處理等裝置，德國(guó)奔馳汽車公司轉(zhuǎn)向器殼的清洗流程。該清洗機(jī)采用封閉式布局，清洗過程是在一個(gè)封閉系統(tǒng)中進(jìn)行的，通過一個(gè)清洗液凈化輔助系統(tǒng)來實(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，由于自動(dòng)線節(jié)拍時(shí)間的日益縮短、被測(cè)工件的精度要求越來越高以及測(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測(cè)量以確定工件的特征，并利用測(cè)量結(jié)果來調(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，然后利用該值通過相應(yīng)的控制來調(diào)整銑頭相對(duì)于工件的位置再進(jìn)行銑削。

近年來，在自動(dòng)線上，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。圖17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，這是通過專門設(shè)計(jì)的滾動(dòng)軸承來實(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)，就可通過從環(huán)形噴嘴中排出的氣體量來測(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
裝配在主體工件的加工過程中，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，已普遍地將這類工序間裝配集成到自動(dòng)線或自動(dòng)線組成的生產(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加熱整個(gè)缸蓋來裝配閥座和導(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)線也可設(shè)置在自動(dòng)線系統(tǒng)中，一般視自動(dòng)線節(jié)拍的長(zhǎng)短而定。

6 自動(dòng)線可靠性和利用率不斷改善和提高

自動(dòng)線的經(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)線加工過程的可靠性、利用率和工件的加工質(zhì)量，目前在自動(dòng)線上愈來愈多的采用過程監(jiān)控，對(duì)其各組成設(shè)備的功能、加工過程和工件加工質(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，質(zhì)量監(jiān)控已日益成為現(xiàn)代自動(dòng)線生產(chǎn)監(jiān)控的重要一環(huán)。這主要是由于汽車工業(yè)不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的緣故。各汽車制造廠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)線制造廠為確保設(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)線的生產(chǎn)過程進(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)線的過程控制和監(jiān)控不僅包含對(duì)變得愈來愈復(fù)雜的自動(dòng)線的過程控制和對(duì)所有終點(diǎn)開關(guān)、電動(dòng)機(jī)保護(hù)開關(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，并通過一些直觀的過程圖形顯示、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)線的生產(chǎn)過程。

80年代末，在自動(dòng)線的故障診斷技術(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得了時(shí)間，從而顯著地縮短自動(dòng)線的調(diào)試時(shí)間和停機(jī)時(shí)間。

當(dāng)前，自動(dòng)線的控制技術(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)線的加工工位上)和無需設(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)線過程監(jiān)控的重要組成部分。在切削加工中，主要的干擾是來自刀具，象汽車發(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，上千把刀具，刀具出現(xiàn)超過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)線停機(jī)次數(shù)和停機(jī)時(shí)間增多，從而導(dǎo)致自動(dòng)線利用率的降低。而通過對(duì)切削過程進(jìn)行監(jiān)控可顯著地減少自動(dòng)線的停機(jī)時(shí)間。如德國(guó)一汽車廠的缸蓋加工自動(dòng)線，由于采用了切削過程監(jiān)控系統(tǒng)，使自動(dòng)線的生產(chǎn)率提高了8%。

在自動(dòng)線上，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)生器通過裝在同一接頭里的發(fā)射天線發(fā)出高頻信號(hào)，該信號(hào)被機(jī)床旁的接收器天線接收，通過與機(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)一汽車廠在未采用監(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)大眾汽車廠，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)線從訂單到供貨僅為14個(gè)月。

推行并行工程近十年來，為縮短汽車開發(fā)周期、降低制造費(fèi)用和提高產(chǎn)品質(zhì)量，世界上許多汽車廠都在積極推行日本豐田汽車公司首創(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)量和低成本地開發(fā)制造汽車，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)品開發(fā)部門、生產(chǎn)規(guī)劃部門和設(shè)備制造廠之間進(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)床制造廠與用戶之間進(jìn)行密切合作，以便使專用設(shè)備能更好地滿足用戶的各種要求。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)床制造廠總是根據(jù)用戶提供的工件圖紙和樣件來進(jìn)行專用設(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，它要求通過裝備制造部門早期介入用戶產(chǎn)品的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門考慮其結(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，很多汽車制造廠都在積極推行并行工程，并有不少組合機(jī)床制造廠與汽車廠密切合作應(yīng)用這一方法來加速專用裝備的設(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廠設(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，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

8 結(jié)束語

近20年來，組合機(jī)床自動(dòng)線技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，自動(dòng)線在加工精度、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)線技術(shù)發(fā)展達(dá)到的高水平。自動(dòng)線的技術(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，柔性將愈來愈成為決擇設(shè)備的重要因素。因此，自動(dòng)線將面臨由高速加工中心組成的FMS的激烈競(jìng)爭(zhēng)。