组合机床和组合机床自动线的技术性(下)

江河98

　　5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，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。
# G- g& z9 z+ h% }$ V　　清洗
) n7 X( S4 D" _" w+ b! J  R　　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。
& q1 G8 G1 Y' d1 v1 ?  j　　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。
# {1 \* {: y% o0 O% X$ g　　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。
1 w" U6 K. y/ `0 G, _- d　　在自动线上，自动测量可分为加工前测量和加工后测量。
) G8 o" X/ \/ s) h　　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。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50μm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：
. v8 j: p( d# G8 g　　阀座锥角误差阀座锥孔圆度阀座锥孔对导管孔的跳动误差
1 R9 ]1 d4 j: U( b7 l2 a　　A)测量任务B)测量装置
1 z" r, ?" ^2 W. k2 l8 U　　1.安装板2.压缩空气接头3.可浮动的弹性支承4.机械定心头5.测量导管孔的测量心棒(设有测量喷嘴) 6.测量阀座深度的两个电感应测头7.可旋转的环形喷嘴缸盖气门阀座锥面和导管孔的综合精度测量装配
　　在主体工件的加工过程中，有的需要将个别零件装配到主体件上后再继续进行加工。在现代化生产中，已普遍地将这类工序间装配集成到自动线或自动线组成的生产系统中。例如，缸体的瓦盖装配、缸盖的进排气阀座及导管装配和缸体、缸盖的堵片装配等。
　　进行装配时，首先是采用液态氮将阀座圈和导管冷却到-160℃，通过自动上料装置将低温冷缩的阀座圈和导管装入缸盖的相应底孔中，随后靠温度的自然升高使零件产生膨胀，从而将两个零件牢固地配合在缸盖里。这种低温装配工艺与通过加热整个缸盖来装配阀座和导管的传统工艺相比，其优点是既可节能，又能确保装配质量。
　　密封性试验
( U( ~$ I' y* E4 j　　对一些有密封性能要求的工件(如缸体、缸盖和进排气管等)，在自动线上经一定的切削加工后，需进行密封性试验，以防止不合格工件进入下一道工序，以致影响产品性能。工件密封性检验，既可纳入自动线也可设置在自动线系统中，一般视自动线节拍的长短而定。
/ F9 z' i* I3 k5 t　　6自动线可靠性和利用率不断改善和提高
　　自动线的经济性只有在其进行连续生产的情况下才有可能实现。为提高自动线加工过程的可靠性、利用率和工件的加工质量，目前在自动线上愈来愈多的采用过程监控，对其各组成设备的功能、加工过程和工件加工质量进行监控，以便快速识别故障、快速进行故障诊断和早期预报加工偏差，使操作人员和维修人员能及时地进行干预，以缩短设备调试周期、减少设备停机时间和避免加工质量偏差。
6 `9 e3 }2 f# t8 Z, P　　显然，提高自动线的利用率和工件加工质量是生产控制和监控的主要目的。
　　从目前自动线生产控制和监控的内容看，生产控制和监控系统基本上是由质量监控系统、自动线运行控制与监控系统和刀具监控系统这几个部分组成的。
　　近年来，质量监控已日益成为现代自动线生产监控的重要一环。这主要是由于汽车工业不断提高发动机质量的缘故。各汽车制造厂普遍要求将零件的设计公差带压缩1/3～1/2作为工序公差，对机床能力系数提出了很高的要求。为此，自动线制造厂为确保设备具有稳定的加工质量，已日益重视应用SPC对自动线的生产过程进行连续监控，对加工质量偏差的趋向进行早期预报，以便把工件的加工公差始终控制在预定的范围内。
　　现代自动线的过程控制和监控不仅包含对变得愈来愈复杂的自动线的过程控制和对所有终点开关、电动机保护开关、节拍时间、冷却和润滑液的供给以及液压、气动功能等进行监控和诊断，而且还包括对刀具耐用度、设备维修间隔和工件计数等进行管理，并通过一些直观的过程图形显示、操作指引、故障报警和诊断指示，使操作人员更便于监控整个自动线的生产过程。
- {  f2 @# b/ y4 ~& n" ^$ r　　80年代末，在自动线的故障诊断技术中出现的一种基于知识的故障诊断技术，可对自动线运行中产生的所有故障进行诊断(而不是局限于诊断最常出现的故障)，确定故障部位及其原因，这为迅速排除故障赢得了时间，从而显著地缩短自动线的调试时间和停机时间。
　　当前，自动线的控制技术已由集中控制方式转向分散控制方式。根据对这种新的控制模式的研究表明，采用分散控制系统要比采用集中控制系统可节省费用5%。这主要是由于分散控制系统可减少电缆敷设费用(采用总线系统)、减少电气保养维修费(由于提高了透明度)、省去控制柜台架(分散控制系统的控制柜直接设置在自动线的加工工位上)和无需设置集中冷却装置等。此外，这种分散控制系统由于总体配置简单，有利于加快自动线的投入运行，并由于一目了然的结构配置，在产生故障时很容易确定故障的部位。最后，分散控制系统的模块化和标准化也有利于降低成本和提高透明度。
　　切削过程监控(刀具碰撞、刀具磨损和刀具破损等监控)是现代自动线过程监控的重要组成部分。在切削加工中，主要的干扰是来自刀具，象汽车发动机缸体、缸盖和变速箱体等复杂工件的加工，往往要采用许多条自动线，上千把刀具，刀具出现超过磨损极限和破损的概率比较高。一旦某把刀具出现故障，如不及时进行识别和报警，就会导致出现二次故障、产生废品和损坏机床等事故，使自动线停机次数和停机时间增多，从而导致自动线利用率的降低。而通过对切削过程进行监控可显著地减少自动线的停机时间。如德国一汽车厂的缸盖加工自动线，由于采用了切削过程监控系统，使自动线的生产率提高了8%。
8 F, C0 d9 ?6 R7 ~/ {: t7 B* b　　在自动线上，对多轴钻削和攻丝进行监控具有特别重要意义。由于传感器技术的不断进步，多轴钻削监控和攻丝监控技术已日趋成熟。
" H5 |( G6 S7 I( j% B! Q! M　　为对攻丝过程进行监控，在攻丝接头中设有长度补偿机构以及在快换夹头中设置可调整扭矩值的扭矩离合器，离合器的扭矩值应根据丝锥直径、螺距和工件材质进行调整。当丝维磨钝或攻丝底孔有误差时，快换夹头中的扭矩离合器就起动，这时由于强制的机床进给使攻丝接头中的长度补偿机构压缩。这种轴向移动使装在接头中的高频发生器通过装在同一接头里的发射天线发出高频信号，该信号被机床旁的接收器天线接收，通过与机床控制系统联接的该接收器发出指令使机床停止工作；并可发出光或声响进行报警。同时，一个装在接头上的红色目视环产生轴向移动，这样，如在多轴攻丝时，即使都用同一频率也可立即看出在哪一个攻丝主轴上发生了故障。故障排除后，这个红色目视环应重新把它移到原来的位置上。
　　攻螺纹时，使用这种监控系统，一方面可以减少丝锥的折断率，另一方面可提高丝锥加工工件的件数。据资料介绍、美国一汽车厂在未采用监控系统前，丝锥折断每年为1430次，采用监控系统后，丝锥折断降低为260次，返修品由年1134件降为8件。在德国大众汽车厂，前些年已使用这种系统1500套，在未采用监控系统前，为确保攻螺纹过程的可靠性，对丝锥采用强制更换，规定一把丝锥加工1000件后即进行更换。采用监控系统后，一把丝锥加工的工件数达到了2000件。
" U. i; B3 s4 f　　7、其它技术的应用动向
　　在工业发达国家的组合机床行业中，下列技术得到了较为广泛的应用。
. l) k3 t* F0 M( t　　组合机床设计普及CAD技术
　　在国外许多公司中，组合机床设计已普遍采用CAD工作站，在设计室几乎很难见到传统的绘图板。CAD除应用于绘图工作外，并在构件的刚度分析(有限元方法)、组合机床及自动线设计方案比较和选择，以及方案报价等方面均已得到广泛应用，从而显著地提高了设计质量和缩短了设计周期。加之国外许多公司在组合机床和自动线组成模块方面的系列化和通用化程度很高(一般达90%以上)，使组合机床和自动线的交货期进一步缩短。如意大利IMAS公司，一台复杂程度较高的回转工作台式组合机床从订单到供货一般为8个月；德国Honsberg公司为前苏联制造的加工变速箱体和箱盖的两条柔性自动线从订单到供货仅为14个月。
" I7 ]# R7 G" v　　推行并行工程
# p& V; ?/ z. s6 e9 p　　近十年来，为缩短汽车开发周期、降低制造费用和提高产品质量，世界上许多汽车厂都在积极推行日本丰田汽车公司首创的精益生产方式(Lean Production)。旨在从整体优化的观点合理配置和利用企业拥有的生产要素，以达到高速、高效、高质量和低成本地开发制造汽车，促使企业获得更高的综合效益。
3 [9 Y; Z# i8 e% b) v( P( d　　精益生产方式的重要内容之一是并行工程。根据并行工程的组织原则，要求在产品开发的各个环节中，所有各相关的设计和制造活动之间按时间并行地进行密切合作和协调。也就是要求产品开发部门、生产规划部门和设备制造厂之间进行紧密合作，对要设计的产品和加工装备同时进行规划和设计，及早地发现和改正产品(工件)可能存在的错误，并尽早确定主要的生产工艺装备，从而达到改进产品设计和制造工艺、缩短产品开发周期、降低制造费用、提高产品质量和工艺装备质量的目的。
　　从并行工程的基本思想看，这一方法似乎也不是新发明。因为在通常设计组合机床时，同样要求组合机床制造厂与用户之间进行密切合作，以便使专用设备能更好地满足用户的各种要求。但是，并行工程同这种做法有着本质上的不同。众所周知，组合机床制造厂总是根据用户提供的工件图纸和样件来进行专用设备的设计的，在工作环节上是一种按顺序进行的作业。而并行工程则突破了这种上下道作业的工作程序，它要求通过装备制造部门早期介入用户产品的规划和设计，在产品设计部门考虑其结构和功能时，能协同考虑产品的加工和装配工艺(以制造工艺和装配工艺带动设计)，从而加速产品开发，同时达到降低制造费用和提高产品质量的目的。
7 J4 S$ M; Q7 h* C$ ~* W5 m+ x　　在国外，近十年来，很多汽车制造厂都在积极推行并行工程，并有不少组合机床制造厂与汽车厂密切合作应用这一方法来加速专用装备的设计制造。例如，美国的Ingersoll和Lamb，德国的Grob和Ex-cell-o等公司都应用并行工程分别为一些汽车厂设计制造了众多的缸体、缸盖和变速箱体等加工自动线，取得了较好的技术经济效益。
　　8结束语
9 ]; l, n: N3 \) o　　近20年来，组合机床自动线技术取得了长足进步，自动线在加工精度、生产效率、利用率、柔性化和综合自动化等方面的巨大进步，标志着组合机床自动线技术发展达到的高水平。自动线的技术发展，刀具、控制和其它相关技术的进步以及用户需求变化起着重要的推动作用，其中，特别是CNC控制技术对自动线结构的变革及其柔性化起着决定性作用。
　　随着市场需求的变化，柔性将愈来愈成为决择设备的重要因素。因此，自动线将面临由高速加工中心组成的FMS的激烈竞争。
文章关键词： 机床