組合機(jī)床和組合機(jī)床自動線是一種專用高效自動化技術(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)床和自動線最大的用戶。如德國大眾汽車廠在Salzgitter的發(fā)動機(jī)工廠，90年代初 所采用的金屬切削機(jī)床主要是自動線(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)床和自動線。因此，組合機(jī)床及其自動線的技術(shù)性能和綜合自動化水平，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)，也在很大程度上決定了企業(yè)產(chǎn)品 的競爭力。

現(xiàn)代組合機(jī)床和自動線作為機(jī)電一體化產(chǎn)品，它是控制、驅(qū)動、測量、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)有長足進(jìn)步，同時作為組合機(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和激勵了組合機(jī)床和自動線技術(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)床和自動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加工工位上，并同時能從多個方向?qū)ぜ膸讉€面進(jìn)行加工，此 外，還可以通過轉(zhuǎn)位夾具(在回轉(zhuǎn)工作臺機(jī)床上)或通過轉(zhuǎn)位、翻轉(zhuǎn)裝置(在自動線上)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，德國在1990～1992年期間，回轉(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床和自動線的產(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(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床所占作業(yè)面積要比自動線約小2/3。

2 自動線節(jié)拍時間進(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)動機(jī)的年產(chǎn)量通常為60萬臺左右，實(shí)現(xiàn)這樣大的批量 生產(chǎn)，回轉(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床和自動線在三班運(yùn)行的情況下，其節(jié)拍時間一般為20～30秒，當(dāng)零件生產(chǎn)批量更大 時，機(jī)床的節(jié)拍時間還要更短些。在70年代，自動線要實(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，即對決定自動線節(jié)拍的、工序時間最長的加工工序要通過并聯(lián)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(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。

自動線的短節(jié)拍，主要是通過縮短基本時間和輔助時間來實(shí)現(xiàn)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(jìn)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(cè)面時，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，采用裝有三個可轉(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)際加工時間僅為5.8s，比傳統(tǒng)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(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(dá)60m/min或更高些，加工模塊快速移動速度達(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(yùn)動特性曲線。由于電液比例閥控制系統(tǒng)具有良好的啟動和制動性能，且系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)簡單，至今，這種輸送裝置仍被許多自動線所采用。

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(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線(FTL)，從此數(shù)控組合機(jī)床和柔性自動線逐年增多。在 1988年至1992年間，日本組合機(jī)床和自動線(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%；德國組合機(jī)床和自動線產(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，汽車市場競爭更趨激 烈，產(chǎn)品市場壽命進(jìn)一步縮短，新車型的開發(fā)周期日益縮短(目前一般為35個月)，汽車品種不斷增多，因而汽車 工業(yè)對柔性自動化技術(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)床和柔性自動線的重要前提是開發(fā) 數(shù)控加工模塊，而有著較長發(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)床和柔性自動線，可通過應(yīng)用和改變數(shù)控程序來實(shí)現(xiàn)自動換刀、自動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)控十字滑臺和 主軸部件組成，例如數(shù)控雙坐標(biāo)銑削模塊。 立柱移動式數(shù)控三坐標(biāo)加工模塊，其刀具能在三個坐標(biāo)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動，可根據(jù)加工工件的品種和加工任務(wù) 配備刀庫、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線實(shí)現(xiàn)多品種加工最重要的 模塊之一。

立柱移動式CNC三坐標(biāo)加工模塊可利用X軸和Y軸的聯(lián)動來實(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，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)工作臺式 多軸加工模塊。自動換箱式模塊由于可在專門設(shè)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(zhuǎn)塔式和回轉(zhuǎn)工作臺式多軸加工模塊，由于在轉(zhuǎn)塔頭和回轉(zhuǎn)工作臺上允許裝的多軸箱數(shù)量有限 (一般為4～6個)，所以這種加工模塊只能實(shí)現(xiàn)有限品種的加工。

在自動線上采用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，而且在自動線 節(jié)拍時間內(nèi)(如果節(jié)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(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)，從而減少自動線的加工工位數(shù)，縮短自動線的長度 。 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，可通過自動換刀或自動更換多軸箱而實(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Honsberg公司推出的CNCMACH模塊化系統(tǒng)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；從刀庫看，可裝設(shè)刀具庫和多軸箱庫，可單獨(dú)實(shí) 現(xiàn)刀具或多軸箱的自動更換，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)動的夾具也是柔性組合機(jī)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(jī)器人進(jìn)行工件的自動上下料，用于工件的轉(zhuǎn)位或翻轉(zhuǎn)。為搬運(yùn)不 同的工件，可在自動線旁設(shè)置手爪庫，以實(shí)現(xiàn)手爪的自動更換。夾具配備伺服驅(qū)動裝置，以適應(yīng)工件族內(nèi)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(shù)控加工模塊有四個雙坐標(biāo)數(shù)控銑削模 塊、六個數(shù)控轉(zhuǎn)塔式多軸加工模塊和六個數(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，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。

所示是一條加工軸承蓋的柔性自動線，加工工件品種多達(dá)43種，節(jié)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(biāo)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(biāo)加工模塊。

組合機(jī)床自動線柔性化的迅速發(fā)展和節(jié)拍時間的日益縮短，充分顯示了CNC技術(shù)和刀具技術(shù)給組合機(jī)床自動線 帶來的巨大技術(shù)進(jìn)步，使柔性自動線在多品種、大批量生產(chǎn)中成為重要的技術(shù)裝備。 但在這里必須指出，在組合機(jī)床和自動線實(shí)現(xiàn)柔性化發(fā)展的同時，加工中心高速化發(fā)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(chǎn)線進(jìn)入大批量生產(chǎn)領(lǐng)域，出現(xiàn)了加工中心與自動線競爭的局面。