組合機(jī)床和自動(dòng)線的技術(shù)發(fā)展-中文翻譯

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組合機(jī)床和自動(dòng)線的技術(shù)發(fā)展組合機(jī)床和組合機(jī)床自動(dòng)線是一種專用高效自動(dòng)化技術(shù)裝備，目前，由于它仍是大批量機(jī)械產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性生產(chǎn)的關(guān)鍵裝備，因而被廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和壓縮機(jī)等許多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。其中，特別是汽車工業(yè)，是組合機(jī)床和自動(dòng)線最大的用戶。如德國(guó)大眾汽車廠在 Salzgitter 的發(fā)動(dòng)機(jī)工廠，90 年代初所采用的金屬切削機(jī)床主要是自動(dòng)線(60%)、組合機(jī)床(20%)和加工中心(20%)。顯然，在大批量生產(chǎn)的機(jī)械工業(yè)部門，大量采用的設(shè)備是組合機(jī)床和自動(dòng)線。因此，組合機(jī)床及其自動(dòng)線的技術(shù)性能和綜合自動(dòng)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(zhì)量和企業(yè)生產(chǎn)組織的結(jié)構(gòu)，也在很大程度 決定了企業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。 現(xiàn)代組合機(jī)床和自動(dòng)線作為機(jī)電一體化產(chǎn)品，它是控制、驅(qū)動(dòng)、測(cè)量、監(jiān)控、刀具和機(jī)械組件等技術(shù)的綜合反映。近 20 年來，這些技術(shù)有長(zhǎng)足進(jìn)步，同時(shí)作為組合機(jī)床主要用戶的汽車和內(nèi)燃機(jī)等行業(yè)也有很大的變化，其產(chǎn)品市場(chǎng)壽命不斷縮短，品種日益增多且質(zhì)量不斷提高。這些因素有力地推動(dòng)和激勵(lì)了組合機(jī)床和自動(dòng)線技術(shù)的不斷發(fā)展。 1、組合機(jī)床品種的發(fā)展重點(diǎn)在組合機(jī)床這類專用機(jī)床中，回轉(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床(圖 2)和自動(dòng)線占有很重要的地位。因?yàn)檫@兩類機(jī)床可以把工件的許多加工工序分配到多個(gè)加工工位上，并同時(shí)能從多個(gè)方向?qū)ぜ膸讉€(gè)面進(jìn)行加工，此外，還可以通過轉(zhuǎn)位夾具(在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)機(jī)床上) 或通過轉(zhuǎn)位、翻轉(zhuǎn)裝置(在自動(dòng)線上)實(shí)現(xiàn)工件的五面加工或全部加工，因而具有很高的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，被汽車、摩托車和壓縮機(jī)等工業(yè)部門所采用。 根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，德國(guó)在 1990～1992 年期間，回轉(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床和自動(dòng)線的產(chǎn)量約各占組合機(jī)床總數(shù)的 50%左右。應(yīng)指出，回轉(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床實(shí)際上是一種特殊型式的小型自動(dòng)線，適合于加工輪廓尺寸≤250mm 的中小件。與自動(dòng)線相比，在加工同一種工件的情況下，回轉(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床所占作業(yè)面積要比自動(dòng)線約小 2/3。 2、自動(dòng)線節(jié)拍時(shí)間進(jìn)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(dòng)機(jī)的年產(chǎn)量通常為 60 萬臺(tái)左右，實(shí)現(xiàn)這樣大的批量生產(chǎn)，回轉(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床和自動(dòng)線在三班運(yùn)行的情況下，其節(jié)拍時(shí)間一般為 20～30 秒，當(dāng)零件生產(chǎn)批量更大時(shí)，機(jī)床的節(jié)拍時(shí)間還要更短些(表 1)。在 70 年代，自動(dòng)線要實(shí)現(xiàn)這樣短的節(jié)拍，往往要采用并列的雙工位或設(shè)置雙線的辦法，即對(duì)決定自動(dòng)線節(jié)拍的、工序時(shí)間最長(zhǎng)的加工工序要通過并聯(lián)兩個(gè)相同的加工工位，如果限制性工序較多時(shí)，則通過采用兩條相同的自動(dòng)線來平衡自動(dòng)線系統(tǒng)的加工節(jié)拍。顯然，這樣就要增加設(shè)備投資和作業(yè)面積。 縮短基本時(shí)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(jìn)給速度來縮短基本時(shí)間。例如，德國(guó)大眾汽車廠在加工鋁合金缸蓋燃燒室側(cè)面時(shí)，采用 PCD 銑刀，銑削速度高達(dá) 3075m/min，進(jìn)給速度達(dá)3600mm/min；又如，在鏜削灰鑄鐵缸體的缸孔時(shí)，采用裝有三個(gè)可轉(zhuǎn)位 CBN刀片的新穎鏜刀頭，切削速度達(dá) 800m/min，進(jìn)給速度為 1500mm/min，加工深度為 146mm 的缸孔，其實(shí)際加工時(shí)間僅為 5.8s，比傳統(tǒng)加工工藝可縮短 2/3 的加工時(shí)間。 縮短輔助時(shí)間主要是縮短包括工件輸送、加工模塊快速引進(jìn)以及加工模塊由快進(jìn)轉(zhuǎn)換為工進(jìn)后至刀具切入工件所花的時(shí)間。為縮短這部分空行程時(shí)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(dòng)速度。目前，隨行夾具的輸送速度可達(dá) 60m/min 或更高些，加工模塊快速移動(dòng)速度達(dá) 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(qū)動(dòng)的輸送裝置。70 年代末期，Honsberg 公司在其加工變速箱體的自動(dòng)線上就采用了電液比例閥控制的輸送裝置。該自動(dòng)線長(zhǎng) 18.2m，有 12 個(gè)加工工位，輸送步距為 1400mm，輸送重量為 7000kg，輸送速度達(dá) 45.6m/min，一個(gè)步距的輸送時(shí)間僅為 2.5s。為該輸送裝置的運(yùn)動(dòng)特性曲線。由于電液比例閥控制系統(tǒng)具有良好的啟動(dòng)和制動(dòng)性能，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，至今，這種輸送裝置仍被許多自動(dòng)線所采用。 3、組合機(jī)床柔性化進(jìn)展迅速十多年來，作為組合機(jī)床重要用戶的汽車工業(yè)，為迎合人們個(gè)性化需求，汽車變型品種日益增多(圖 5)，以多品種展開競(jìng)爭(zhēng)已成為汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的特點(diǎn)之一，這使組合機(jī)床制造業(yè)面臨著變型多品種生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)多品種生產(chǎn)，傳統(tǒng)以加工單一品種的剛性組合機(jī)床和自動(dòng)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(dòng)線(FTL)，從此數(shù)控組合機(jī)床和柔性自動(dòng)線逐年增多。在 1988 年至 1992 年間，日本組合機(jī)床和自動(dòng)線(包括部分其它形式的專用機(jī)床)產(chǎn)量的數(shù)控化率已達(dá)32%～ 39%，產(chǎn)值數(shù)控比率達(dá) 35%～51% ；德國(guó)組合機(jī)床和自動(dòng)線產(chǎn)量的數(shù)控化率為 18%～62%，產(chǎn)值數(shù)控化率達(dá) 45%～66%( 表 2)。這些數(shù)字表明，近十年來，組合機(jī)床的數(shù)控化發(fā)展是十分迅速的。應(yīng)指出，進(jìn)入 90 年代以來，汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更趨激烈，產(chǎn)品市場(chǎng)壽命進(jìn)一步縮短，新車型的開發(fā)周期日益縮短(目前一般為 35 個(gè)月)，汽車品種不斷增多，因而汽車工業(yè)對(duì)柔性自動(dòng)化技術(shù)裝備的需求量日益增多。如日本豐田汽車公司，在本世紀(jì)末的目標(biāo)是公司下屬工廠的柔性化加工系統(tǒng)的普及率達(dá)到 100%。很顯然，組合機(jī)床及其自動(dòng)線在保持其高生產(chǎn)效率的條件下，進(jìn)一步提高其柔性就愈來愈具有重要意義。 組合機(jī)床的柔性化主要是通過采用數(shù)控技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。開發(fā)柔性組合機(jī)床和柔性自動(dòng)線的重要前提是開發(fā)數(shù)控加工模塊，而有著較長(zhǎng)發(fā)展歷史的加工中心技術(shù)為開發(fā)數(shù)控加工模塊提供了成熟的經(jīng)驗(yàn)。由數(shù)控加工模塊組成的柔性組合機(jī)床和柔性自動(dòng)線，可通過應(yīng)用和改變數(shù)控程序來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀、自動(dòng)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(yīng)變型品種的加工。柔性組合機(jī)床和柔性自動(dòng)線用的數(shù)控加工模塊，按其數(shù)控坐標(biāo)(軸)數(shù)，主要有單坐標(biāo)(Z)、雙坐標(biāo) (X-Z、Y-Z、 Z-U 和 Z-B 等)和三坐標(biāo)(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(fù)合加工模塊。單坐標(biāo)加工模塊由數(shù)控滑臺(tái)和主軸部件(或多軸箱，包括可換多軸箱)組成。雙坐標(biāo)加工模塊由數(shù)控十字滑臺(tái)和主軸部件組成，例如數(shù)控雙坐標(biāo)銑削模塊。立柱移動(dòng)式數(shù)控三坐標(biāo)加工模塊(圖 6)，其刀具能在三個(gè)坐標(biāo)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，可根據(jù)加工工件的品種和加工任務(wù)配備刀庫(kù)、換刀機(jī)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(dòng)線實(shí)現(xiàn)多品種加工最重要的模塊之一。 立柱移動(dòng)式 CNC 三坐標(biāo)加工模塊可利用 X 軸和 Y 軸的聯(lián)動(dòng)來實(shí)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(shí)，可采用較小直徑的銑刀，實(shí)現(xiàn)高速(切削速度達(dá) 2500m/min)周邊銑削，由此減小加工時(shí)的切削力和工件的變形。這比采用雙坐標(biāo)銑削加工模塊用大直徑銑刀進(jìn)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(jī)床和柔性自動(dòng)線。這類模塊有多種不同的結(jié)構(gòu)形式，但基本上可分為自動(dòng)換箱式多軸加工模塊、轉(zhuǎn)塔式多軸加工模塊和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)式多軸加工模塊。自動(dòng)換箱式模塊由于可在專門設(shè)置的多軸箱庫(kù)中儲(chǔ)存較多的多軸箱，故可用來加工較多不同品種的工件。而轉(zhuǎn)塔式和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)式多軸加工模塊，由于在轉(zhuǎn)塔頭和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上允許裝的多軸箱數(shù)量有限 (一般為 4～6 個(gè))，所以這種加工模塊只能實(shí)現(xiàn)有限品種的加工。 在自動(dòng)線上采用 CNC 三坐標(biāo)加工模塊和轉(zhuǎn)塔式多軸加工模塊，不僅可實(shí)現(xiàn)不同品種工件的加工，而且在自動(dòng)線節(jié)拍時(shí)間內(nèi)(如果節(jié)拍時(shí)間允許的話)，這類加工模塊還可以在同一個(gè)加工工位上通過其自動(dòng)換刀或換箱，依次實(shí)現(xiàn)多道加工工序(粗鏜、半精鏜和精鏜；鉆孔、擴(kuò)孔和攻絲)，從而減少自動(dòng)線的加工工位數(shù)，縮短自動(dòng)線的長(zhǎng)度。單軸和多軸復(fù)合加工模塊是一種三坐標(biāo)數(shù)控加工模塊，可通過自動(dòng)換刀或自動(dòng)更換多軸箱而實(shí)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(guó) 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(yīng)用模塊化結(jié)構(gòu)原理，在作為系統(tǒng)基礎(chǔ)模塊的 CNC 三坐標(biāo)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(biāo)或不用工藝用途的加工模塊。具體地說，從坐標(biāo)看，除三坐標(biāo)外，還可組成雙坐標(biāo)和單坐標(biāo)加工模塊；從刀庫(kù)看，可裝設(shè)刀具庫(kù)和多軸箱庫(kù)，可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)刀具或多軸箱的自動(dòng)更換，也可依次實(shí)現(xiàn)刀具和多軸箱的更換。 CNC/MACH 系統(tǒng)，不僅在機(jī)械結(jié)構(gòu)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(dòng)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(jī)器人和伺服驅(qū)動(dòng)的夾具也是柔性組合機(jī)床和柔性自動(dòng)線的重要部件。特別在柔性自動(dòng)線上，目前已較普遍地采用龍門式空架機(jī)器人進(jìn)行工件的自動(dòng)上下料，用于工件的轉(zhuǎn)位或翻轉(zhuǎn)。為搬運(yùn)不同的工件，可在自動(dòng)線旁設(shè)置手爪庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)手爪的自動(dòng)更換。夾具配備伺服驅(qū)動(dòng)裝置，以適應(yīng)工件族內(nèi)不同工件的自動(dòng)夾緊。 該線采用的數(shù)控加工模塊有四個(gè)雙坐標(biāo)數(shù)控銑削模塊、六個(gè)數(shù)控轉(zhuǎn)塔式多軸加工模塊和六個(gè)數(shù)控三坐標(biāo)加工模塊。輔助工位有清洗工位和采用機(jī)器人進(jìn)行操作的裝夾工作站。由于組成自動(dòng)線的加工模塊都是數(shù)控的，當(dāng)由一種工件的加工變換為另一種工件的加工時(shí)，只需通過改變數(shù)控程序就行了，而無需進(jìn)行機(jī)械等方面的調(diào)整和改裝。 4、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(圖 15)，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，圖 16 所示是德國(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。 5、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。組 合 機(jī) 床 未 來 的 發(fā) 展 將 更 多 的 采 用 調(diào) 速 電 動(dòng) 機(jī) 和 滾 珠 絲 杠 等 傳 動(dòng) ， 以 簡(jiǎn)化 結(jié) 構(gòu) 、 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(dòng) 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 。