組合機(jī)床和組合機(jī)床自動(dòng)線是一種專(zhuān)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(chē)、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(chē)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(chē)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(mén)，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(mén)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(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(lái)，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(chē)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(lèi)專(zhuān)用機(jī)床中，回轉(zhuǎn)式多工位組合機(jī)床和自動(dòng)線占有很重要的地位。因?yàn)檫@ 兩類(lèi)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(guò)轉(zhuǎn)位夾具(在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)機(jī)床上)或通過(guò)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(chē)、摩托車(chē)和壓縮機(jī)等工業(yè)部門(mén)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(chē)和輕型載貨車(chē)，其發(fā)動(dòng)機(jī)的年產(chǎn)量通常為60萬(wàn)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。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(guò)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(guò)采用兩條相同的自動(dòng)線來(lái)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。

自動(dòng)線的短節(jié)拍，主要是通過(guò)縮短基本時(shí)間和輔助時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

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(guò)提高切削速度和進(jìn)給速度來(lái)縮短基本時(shí)間。 例如，德國(guó)大眾汽車(chē)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，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(lái)，作為組合機(jī)床重要用戶的汽車(chē)工業(yè)，為迎合人們個(gè)性化需求，汽車(chē)變型品種日益增多，以多 品種展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)已成為汽車(chē)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(kāi)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(zhuān)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(lái)，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(lái)，汽車(chē)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(chē)型的開(kāi)發(fā)周期日益縮短(目前一般為35個(gè)月)，汽車(chē)品種不斷增多，因而汽車(chē) 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(chē)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(lái)愈具有重要意義。
組合機(jī)床的柔性化主要是通過(guò)采用數(shù)控技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。開(kāi)發(fā)柔性組合機(jī)床和柔性自動(dòng)線的重要前提是開(kāi)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(kāi)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(guò)應(yīng)用和改變數(shù)控程序來(lái)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，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(lái)實(shí)現(xiàn)周邊銑削工藝，特別是在銑削象變速箱體這類(lèi)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(pán)類(lèi)工件的柔性組合機(jī)床和柔性自動(dòng)線。這類(lèi)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(zhuān)門(mén)設(shè)置的多軸箱庫(kù)中儲(chǔ)存較多的多軸箱，故可用來(lái)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(lèi)加工模塊還可以在同一個(gè)加工工位上通過(guò)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(guò)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)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(guò)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(shuō) ，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(mén)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。 所示是一條加工載重卡車(chē)八種變速箱體的柔性自動(dòng)線。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(guò) 改變數(shù)控程序就行了，而無(wú)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(dòng)線，加工工件品種多達(dá)43種，節(jié)拍時(shí)間僅為6秒。為滿足這種多品種的 加工，在自動(dòng)線上采用9個(gè)CNC三坐標(biāo)加工模塊(其中2個(gè)模塊的刀庫(kù)容量為80把刀)，7個(gè)CNC單坐標(biāo)加工模塊。

組合機(jī)床自動(dòng)線柔性化的迅速發(fā)展和節(jié)拍時(shí)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(dòng)線 帶來(lái)的巨大技術(shù)進(jìn)步，使柔性自動(dòng)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(dòng)線實(shí)現(xiàn)柔性化發(fā)展的同時(shí)，加工中心高速化發(fā)展異常迅速。90年代初， 由這類(lèi)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(dòng)線競(jìng)爭(zhēng)的局面。