组合机床和自动线的技术发展-中文翻译

组合机床和自动线的技术发展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，目前，由于它仍是大批量机械产品实现高效、高质量和经济性生产的关键装备，因而被广泛应用于汽车、拖拉机、内燃机和压缩机等许多工业生产领域。其中，特别是汽车工业，是组合机床和自动线最大的用户。如德国大众汽车厂在 Salzgitter 的发动机工厂，90 年代初所采用的金属切削机床主要是自动线(60%)、组合机床(20%)和加工中心(20%)。显然，在大批量生产的机械工业部门，大量采用的设备是组合机床和自动线。因此，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这些工业部门产品的生产效率、产品质量和企业生产组织的结构，也在很大程度 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，这些技术有长足进步，同时作为组合机床主要用户的汽车和内燃机等行业也有很大的变化，其产品市场寿命不断缩短，品种日益增多且质量不断提高。这些因素有力地推动和激励了组合机床和自动线技术的不断发展。 1、组合机床品种的发展重点在组合机床这类专用机床中，回转式多工位组合机床(图 2)和自动线占有很重要的地位。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。 根据有关统计资料，德国在 19901992 年期间，回转式多工位组合机床和自动线的产量约各占组合机床总数的 50%左右。应指出，回转式多工位组合机床实际上是一种特殊型式的小型自动线，适合于加工轮廓尺寸250mm 的中小件。与自动线相比，在加工同一种工件的情况下，回转式多工位组合机床所占作业面积要比自动线约小 2/3。 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，其发动机的年产量通常为 60 万台左右，实现这样大的批量生产，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 2030 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)。在 70 年代，自动线要实现这样短的节拍，往往要采用并列的双工位或设置双线的办法，即对决定自动线节拍的、工序时间最长的加工工序要通过并联两个相同的加工工位，如果限制性工序较多时，则通过采用两条相同的自动线来平衡自动线系统的加工节拍。显然，这样就要增加设备投资和作业面积。 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；又如，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。70 年代末期，Honsberg 公司在其加工变速箱体的自动线上就采用了电液比例阀控制的输送装置。该自动线长 18.2m，有 12 个加工工位，输送步距为 1400mm，输送重量为 7000kg，输送速度达 45.6m/min，一个步距的输送时间仅为 2.5s。为该输送装置的运动特性曲线。由于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，至今，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十多年来，作为组合机床重要用户的汽车工业，为迎合人们个性化需求，汽车变型品种日益增多(图 5)，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。在 70 年代，数控系统的可靠性有了很大的提高，故到 70 年代末和 80 年代初，像Alfing、Hller-Hille 和 Ex-cell-o 等公司相继开发出数控加工模块和柔性自动线(FTL)，从此数控组合机床和柔性自动线逐年增多。在 1988 年至 1992 年间，日本组合机床和自动线(包括部分其它形式的专用机床)产量的数控化率已达32% 39%，产值数控比率达 35%51% ；德国组合机床和自动线产量的数控化率为 18%62%，产值数控化率达 45%66%( 表 2)。这些数字表明，近十年来，组合机床的数控化发展是十分迅速的。应指出，进入 90 年代以来，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。如日本丰田汽车公司，在本世纪末的目标是公司下属工厂的柔性化加工系统的普及率达到 100%。很显然，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。 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。由数控加工模块组成的柔性组合机床和柔性自动线，可通过应用和改变数控程序来实现自动换刀、自动更换多轴箱和改变加工行程、工作循环、切削参数以及加工位置等，以适应变型品种的加工。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，例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 6)，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、转塔式多轴加工模块和回转工作台式多轴加工模块。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 46 个)，所以这种加工模块只能实现有限品种的加工。 在自动线上采用 CNC 三坐标加工模块和转塔式多轴加工模块，不仅可实现不同品种工件的加工，而且在自动线节拍时间内(如果节拍时间允许的话)，这类加工模块还可以在同一个加工工位上通过其自动换刀或换箱，依次实现多道加工工序(粗镗、半精镗和精镗；钻孔、扩孔和攻丝)，从而减少自动线的加工工位数，缩短自动线的长度。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。值得提及的是，在 80 年代中期德国 Honsberg 公司推出的 CNCMACH 模块化系统(图10)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。 CNC/MACH 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。特别在柔性自动线上，目前已较普遍地采用龙门式空架机器人进行工件的自动上下料，用于工件的转位或翻转。为搬运不同的工件，可在自动线旁设置手爪库，以实现手爪的自动更换。夹具配备伺服驱动装置，以适应工件族内不同工件的自动夹紧。 该线采用的数控加工模块有四个双坐标数控铣削模块、六个数控转塔式多轴加工模块和六个数控三坐标加工模块。辅助工位有清洗工位和采用机器人进行操作的装夹工作站。由于组成自动线的加工模块都是数控的，当由一种工件的加工变换为另一种工件的加工时，只需通过改变数控程序就行了，而无需进行机械等方面的调整和改装。 4、综合自动化程度日益提高近十年来，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(图 15)，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。例如，工件毛坯在喷漆前、工件基准面加工后、去毛刺后、测量前以及装配前所进行的各种清洗。 当今，鉴于我们人类赖以生存的环境日益受到工业污染的破坏，环境保护已引起人们的普遍重视。近年来，国内外越来越关注工业清洗对环境的污染。这就促使许多工业部门的零件清洗转向应用水剂清洗(采用酸性、中性或碱性清洗液，清洗液中主要含有磷酸盐、活性剂和络合剂等)，这种水剂清洗主要根据工件清洗质量要求而采用喷淋(分散清洗)和浸渍(集中清洗)两种工艺。 基于环境保护、现场操作工人的保健和清洗工艺的合理化等要求，目前，清洗机已普遍采用封闭式布局，整个清洗过程是自动进行的，设备控制采用可编程控制器，并自动监控所有机械动作和工艺技术参数。在这类清洗机上集成了蒸发、过滤、材料回收和处理等装置，图 16 所示是德国奔驰汽车公司转向器壳的清洗流程。该清洗机采用封闭式布局，清洗过程是在一个封闭系统中进行的，通过一个清洗液净化辅助系统来实现清洗液的循环使用。在该系统中，作为净化处理装置的核心部件是一个清洗净化和回收模块。该模块由超精过滤器和蒸发器联合组成，利用这个综合净化处理装置产生的清洗液和蒸镏水，重新用于零件的清洗和漂洗。 5、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。 在自动线上，自动测量可分为加工前测量和加工后测量。 加工前测量是在工件加工前通过测量以确定工件的特征，并利用测量结果来调整刀具相对于工件待加工部位的位置，然后进行相应的加工。例如，在铣削缸盖底平面时，为确保各燃烧室至底平面的深度尺寸偏差为最小(这一偏差直接影响到发动机性能)，故采用了测量控制的铣削方法。铣削前，缸盖在随行夹具中找正和夹紧，接着采用多个气动测量头测出各燃烧室的深度，由最大值和最小值求出平均值，然后利用该值通过相应的控制来调整铣头相对于工件的位置再进行铣削。 近年来，在自动线上，工件精加工后普遍进行 100%的检验测量，为此，在精加工工位后设置测量工位。图 17 所示是缸盖进排气阀座和导管孔综合精度自动测量装置。该装置采用四个气动测量头同时对四个阀座和导管进行测量。在测量阀座锥面的测量头上设有约 50m 隙缝宽的环形喷嘴，测量导管孔的心棒同样设有测量喷嘴。当该心棒低速引入导管孔时，以阀座锥面自动定心和找正，这是通过专门设计的滚动轴承来实现的，并借助于弹簧给测量阀座锥面几何精度的测量头施加一定的贴合力，以使测量头靠在阀座的锥面上。当接通压缩空气进行测量时，就可通过从环形喷嘴中排出的气体量来测定。组 合 机 床 未 来 的 发 展 将 更 多 的 采 用 调 速 电 动 机 和 滚 珠 丝 杠 等 传 动 ， 以 简化 结 构 、 缩 短 生 产 节 拍 ； 采 用 数 字 控 制 系 统 和 主 轴 箱 、 夹 具 自 动 更 换 系 统 ，以 提 高 工 艺 可 调 性 ， 以 及 纳 入 柔 性 制 造 系 统 等 。