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组合机床和 自动线嬲 组合机床和自动线的技术发展 6 j
大连组台机床研究所 李如松
- ● _ _ __ 一
摘要 从 自动线节拍时间、柔性 、加工精度、综合 自动化、工作可靠性和利用率等方面介绍 了
术耋 ⋯床⋯术捌 关键词：组台机床 自动线专用机床机床技术；F夏木凌I ，-
组合机床和组合机床 自动线是一种专用
高教 自动化技术装备，目前 ，由于它仍是大批
量机械产品实现高教、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 Salzgit．
ter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(6O％)、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 度上决定 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，它是控翻、驱
动、测量、监控、刀具和机械组件
等技术的综合反映。近 2O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
衙
在组合机床(图 1)这类专用机床 中，回
转式多工位组合机床(图 2)和 自动线(图 3)
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 1990～1992
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。
组合机床
l
l单面 嚣机床 l ￡
l
I l l
移动工作台式组合机床『 位l I 动钱
I
回转工作台孟组合机床 鼓轮式组合机床
‘铅垂圆转轴线) (承平固转轴线)
图 1 组合机床的分类
1999年 第 1
维普资讯
图2 回转式多工位组合机床
(a)鼓轮式组合机床(水平回转轴线) (b)回转工作台式组合机床(铅垂回转轴线)
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，实现这样太的批量生产，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 2O～30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 。
图 3 自动线
自动线的短节拍，主要是通过缩短基本
时间和辅助时问来实现的。
裹 1 国外部分自动钱和回转式多
工位组台机床的节拍时间
节拍时间
工件名称 机床类别 橱遣厂名韩
(秒)
v6缸体 自动线 25．5 目cr傩
缸 盖 自动线 埔 西班牙Etx~tar
空速箱体 自动线 埔 德国Ex~elbo
连 扦 自动线 22 德国All啷
回转工作台 转向器壳
22 德国 W[tzig&Frank 式组合
机床
轴承盖 自动线 5 德国Alftag
回转工柞台 圈珠笔芯
0 6 壤土Mikm 式组旨机床
缩短基本时间的主要途径是采用新的刀
6 组合机床与 自动化加工技术
维普资讯
具材料和新颖刀具，以通过提高切 削速度和
进结速度来缩短基本 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的加工时问
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人工件所花的时间。
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／rain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，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 l2个加工
工位，输 送 步 距 为 1400mm，输 送 重量 为
7000kg，输送速度达 45．6m／rain，一个步距
的输送时间仅为 2．5s。图 4为该输送装置
的运动特性曲线。由于电液比例阀控制系统
在产量不变的情况下变型品种增多
『可t一
一
图 4 电液 比例阀控制的运动特性 血线
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 鲫 年代初 ，像 Airing、Hiiller-
某 车厂发动机品种 汽车产量(辆)
1982年的 品种
'Itt
1983年的品种
衄 ●Itt
1984年 的 品种
■圜●◆囤圈I■■
1985年的品种
■图I●●●0 I墨—
口 新开发的品种
图 5 发动机变型品种 日益增多的趋 向
Hi11e和 Ex-cel1．O等 公 司
相继开发出数控加工模块
和柔性 自动线 (FrL)，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
1999年 第 1
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2)。这些数字表明，近十年来 ，组台机床的数
控化发展是十分迅速的。应指出，进人 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 ，
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。
因而汽车工业对柔性 自动化技术装备的需求 组合机床的柔性化主要是通过采用数控
寰 2 日本和德国数控组台机床和数控 自动线(1988～1992年 )
! 产量(台、基 产值(百万)
l989
组合 机床和 自
动线
日 其中：教拉组音
机 床 和 敦 控 自 l626 283．7 539 9 767．6
土 动线
教拉化事(％) 4B 8 50 9
蛆 音 机 床 和 自
动境
896 9
德 其 中 ：敦控组 音
机床和敦拉 自 l028 236
国 动境
散控但率(％】
摘自(1993--1994 EconomicHandbook oftheMachiaeTootlndustry)AMT
技术来实现的。开发柔性组合机床和柔性 自 工模块，按其数控坐标(轴)数 ，主要有单坐标
动线的重要前提是开发数控加工模块，而有 (z)、双坐标(x—z、Y—z、z—u 和z—B
着较长发展历史的加工中心技术为开发数控 等)和三坐标(x—y—z)加工模块；按其主
加工模块提供了成熟的经验。由数控加工模 轴数，有单轴和多轴加工模块 ，也有单轴和多
块组成的柔性组合机床和柔性 自动线 ，可通 轴复合加工模块。
过应用和改变数控程序来 实现 自动换刀、自 单坐标加工模块由数控滑台和主轴部件
动更换多轴箱和改变加工行程 、工作循环、切 (或多轴箱，包括 可换多轴箱)组成。双坐标
削参数以及加工位置等 ，以适应变型品种的 加工模块由数控十字滑台和主轴部件组成 ，
加工。 例如数控双坐标铣削模块。
柔性组合机床和柔性自动线用的数控加 立柱移动式数控三坐标加工模块(图
图 6 立柱移动式数控三坐标加工模块
8 组合机床与 自动化加工技术
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图 7 自动换箱式多轴加工模块
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件这类刚性较差的工
件时，可采用较小直径的铣刀，实现高速(切
削速度达 2500m／rain)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(图 7)、转塔式多轴加工模块(图8)和回转
工作台式多轴加工模块(图 9)。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 4～6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 自动线节拍时问内(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
图 8 转塔式多轴加工模块
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 8O年代 中期德国 Honsberg公司
推 出的 CNC MACH模块化系统(围 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
图 9 回转工作台式多轴加工模块
1999年 幂 1
缬
■■I
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· ． 。
· · · 砖为一千 坐标 ： ⋯ 碱为二千坐标：Y、Z
‘ ·
图 10 CNC MACH系 统的 模块 化结 构
面，而且在控制和软件等方面也是模块化的。 模块 辅助工位有清洗工位和采用机器人进
因此 ，利用该系统模块 ，可以很方便地拼装成 行操作的装夹工作站。由于组成 自动线的加
柔性 自动线 (FTL)、柔性加工单元(FMC)或 工模块都是数控的，当 由一种工件的加工变
柔性制造系统(FMS)。 换为另一种工件的加工时，只需通过改变数
除上述各种 CNC加工模块外 ，机器人和 控程序就行 了，而无需进行机械等方面的调
伺服驱动的夹具也是柔性组台机床和柔性自 整和改装。
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。
图 u 所示是一条加工载重卡车八种变
速箱体的柔性 自动线。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
图 12所示是一条加工轴承盖的柔性 自
动线 ，加工工件品种多达 43种 ，节拍时间仅
为 6秒。为满足这种多 品种的加工 ，在 自动
线上采用 9个 CNC三坐标加工模块 (其中 2
个模块的刀库容量 为 80把刀)，7个 CNC单
坐标加工模块 。
组合机床 自动线柔性化的迅速发展和节
拍时间的日益缩短，充分显示了 CNC技术和
刀具技术给组合机床 自动线带来的巨大技术
进步 ，使柔性 自动线在多品种、大批量生产中
成为重要的技术装备。
10 组合机床与 自动化加工技术
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叫籍 卿 邶 每 ，
基于代理技术的虚拟制造系统资源集成
华南理工大学 傅勇辉 彭 观 l陈统坚 李卓刚
一 · 一
1
j7
擅要 资源集成是虚拟制造系统的一个关键环节。本文针对制造业所面Jl缶的巨大挑战 ，充分
考虑Imeme1资源的丰富性，对虚拟制造系统实现过程中的资源集成问题，提出了一种基于 生
理拄木的资源集成方法，并结音模糊理论，论述资源集成决策支持系统的实现技术。
l
圈 u 加工变速箱体的柔性 自动线
1．输进装置 2．撮纵台 3．藏压站 4，备料站 5．夹 l蜃工位 6．龙n式空絮机器人 7．清洗工位 8．CNC三坐标加工模块 9
输送带 10．转塔式多轴加工模块 11．NC二坐标铣削模块 12 有轨输送小车 13．储科站 14．手动夹鬟站
圈 l2 加工轴承盖的柔性 自动线
· 广东省博士启动基童 资助项目(974106)
面两覃幕讳r————————一
但在这里必须指出．在组合机床和 自动
线实现柔性化发展的同时，加工 中心高速化
发展异常迅速。9o年代初，由这类高速加工
中心组成的柔性生产线进人大批 量生产领
域 ，出现了加工 中心与自动线竞争的局面。
(持续)
李扣幡 男，1937年。高级工程师。邮营：116033
(本文 1998年6月10日收到)(编辑 王t和)
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