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陜西天寰機械制造有限公司
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十多年來，作為組合機床重要用戶的汽車工業，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之一，這使組合機床制造業面臨著變型多品種生產的挑戰。為適應多品種生產，傳統以加工單一品種的剛性組合機床和自動線必須提高其柔性。在70年代，數控系統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等公司相繼開發出數控加工模塊和柔性自動線（FTL），從此數控組合機床和柔性自動線逐年增多。在1988年至1992年間，日本組合機床和自動線（包括部分其它形式的機床）產量的數控化率已達32%～39%，產值數控比率達35%～51%；德國組合機床和自動線產量的數控化率為18%～62%，產值數控化率達45%～66%（表2）。這些數字表明，近十年來，組合機床的數控化發展是十分迅速的。應指出，進入90年代以來，汽車市場競爭更趨激烈，產品市場壽命進一步縮短，新車型的開發周期日益縮短（目前一般為35個月），汽車品種不斷增多，因而汽車工業對柔性自動化技術裝備的需求量日益增多。如日本豐田汽車公司，在本世紀末的目標是公司下屬工廠的柔性化加工系統的普及率達到100%。很顯然，組合機床及其自動線在保持其高生產效率的條件下，進一步提高其柔性就愈來愈具有重要意義。
表2日本和德國數控組合機床和數控自動線（1988～1992年）產量、產值產量產值年份1988198919901991199219881989199019911992日本組合機床和自動線50745138565359704260808.2954.91106.21590.11193.1其中：數控組合機床和數控自動線16401640208723261626283.7335.0539.9767.6607.2數控化率（%）32.331.936.939.038.235.135.148.848.350.9德國組合機床和自動線1655837886813644565.2429.8712.2746.7896.9其中：數控組合機床和數控自動線1028149196236274302.0196.0378.3490.6590.5數控化率（%）62.117.822.029.042.553.545.653.165.765.8摘自《1993～1994EconomicHandbookoftheMachineToolIndustry》AMT
C三坐標加工模塊9.輸送帶10.轉塔式多軸加工模塊11.NC二坐標銑削模塊12.有軌輸送小車13.儲料站14.手動夾緊站
組合機床的柔性化主要是通過采用數控技術來實現的。開發柔性組合機床和柔性自動線的重要前提是開發數控加工模塊，而有著較長發展歷史的加工中心技術為開發數控加工模塊提供了成熟的經驗。由數控加工模塊組成的柔性組合機床和柔性自動線，可通過應用和改變數控程序來實現自動換刀、自動更換多軸箱和改變加工行程、工作循環、切削參數以及加工位置等，以適應變型品種的加工。柔性組合機床和柔性自動線用的數控加工模塊，按其數控坐標（軸）數，主要有單坐標（Z）、雙坐標（X-Z、Y-Z、Z-U和Z-B等）和三坐標（X-Y-Z）加工模塊；按其主軸數，有單軸和多軸加工模塊，也有單軸和多軸復合加工模塊。
單坐標加工模塊由數控滑臺和主軸部件（或多軸箱，包括可換多軸箱）組成。雙坐標加工模塊由數控十字滑臺和主軸部件組成，例如數控雙坐標銑削模塊。立柱移動式數控三坐標加工模塊（圖6），其刀具能在三個坐標上實現運動，可根據加工工件的品種和加工任務配備刀庫、換刀機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現多品種加工zui重要的模塊之一。
立柱移動式CNC三坐標加工模塊可利用X軸和Y軸的聯動來實現周邊銑削工藝，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，實現高速（切削速度達2500m/min）周邊銑削，由此減小加工時的切削力和工件的變形。這比采用雙坐標銑削加工模塊用大直徑銑刀進行銑削要*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床和柔性自動線。這類模塊有多種不同的結構形式，但基本上可分為自動換箱式多軸加工模塊、轉塔式多軸加工模塊和回轉工作臺式多軸加工模塊。自動換箱式模塊由于可在專門設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。而轉塔式和回轉工作臺式多軸加工模塊，由于在轉塔頭和回轉工作臺上允許裝的多軸箱數量有限（一般為4～6個），所以這種加工模塊只能實現有限品種的加工。
在自動線上采用CNC三坐標加工模塊和轉塔式多軸加工模塊，不僅可實現不同品種工件的加工，而且在自動線節拍時間內（如果節拍時間允許的話），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，依次實現多道加工工序（粗鏜、半精鏜和精鏜；鉆孔、擴孔和攻絲），從而減少自動線的加工工位數，縮短自動線的長度。
單軸和多軸復合加工模塊是一種三坐標數控加工模塊，可通過自動換刀或自動更換多軸箱而實現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模塊化系統是很有特色的一種模塊化系統，該系統充分應用模塊化結構原理，在作為系統基礎模塊的CNC三坐標模塊上，通過增減各種不同的功能模塊，拼裝成各種不同坐標或不用工藝用途的加工模塊。具體地說，從坐標看，除三坐標外，還可組成雙坐標和單坐標加工模塊；從刀庫看，可裝設刀具庫和多軸箱庫，可單獨實現刀具或多軸箱的自動更換，也可依次實現刀具和多軸箱的更換。
CNCMACH系統，不僅在機械結構方面，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（FMS）。除上述各種CNC加工模塊外，機器人和伺服驅動的夾具也是柔性組合機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器人進行工件的自動上下料，用于工件的轉位或翻轉。為搬運不同的工件，可在自動線旁設置手爪庫，以實現手爪的自動更換。夾具配備伺服驅動裝置，以適應工件族內不同工件的自動夾緊。
該線采用的數控加工模塊有四個雙坐標數控銑削模塊、六個數控轉塔式多軸加工模塊和六個數控三坐標加工模塊。輔助工位有清洗工位和采用機器人進行操作的裝夾工作站。由于組成自動線的加工模塊都是數控的，當由一種工件的加工變換為另一種工件的加工時，只需通過改變數控程序就行了，而無需進行機械等方面的調整和改裝。
4加工精度日益提高表3轎車發動機關鍵件的精度工件名稱項目數值氣缸體頂底面的平面度0.02mm/1000mm缸孔孔徑精度IT6主軸孔同軸度f0.01mm缸體止口深度0.01～0.02mm氣缸蓋進排氣閥座與導管孔的同軸度f0.02mm導管孔孔徑精度IT6氣缸體和氣缸蓋等箱體件工藝定位銷孔孔徑精度IT5孔距精度+0.01mm變速箱體傳動軸孔孔距精度+0.02mm孔徑精度IT6連桿大小頭孔孔徑精度IT6（大頭孔）IT5（小頭孔）孔距精度+0.01mm螺栓定位孔孔徑精度IT6孔距精度+0.03mm
1.鏜桿2.精車缸孔止口用的滑板3.空心錐柄（HSK）4.裝有三個切削刃和三個金剛石導向條的刀頭5.車止口用拉桿缸孔精鏜刀具
1.自動上下料系統2.加工基準面和定位銷孔的回轉工作臺式組合機床3～6、8～10、13～17、21.切削加工柔性自動線7.試漏機11.清洗機12.導管和閥座自動裝配機18.去毛刺機19.清洗機20.凸輪軸軸承蓋自動裝配機缸蓋綜合生產系統
特別自80年代中期以來，汽車制造業為增強其汽車的競爭力，不斷地加嚴其發動機關鍵件的制造公差，并通過計算機輔助測量和分析方法，以及通過設備能力檢驗來提高其產品的質量。目前，在驗收組合機床和自動線時，已普遍要求設備的工序能力系數要大于1.33，有的甚至要求工序能力系數要大于1.67，以便確保穩定的加工精度。應指出，采用Cp≥1.33來驗收設備，這實際上是加嚴了工件的制造公差，即工件的實際加工公差僅為工件給定公差的1/3～1/2，這無疑是對組合機床和自動線提出了更高的要求。組合機床制造廠為了滿足用戶對工件加工精度的高要求，除了進一步提高主軸部件、鏜桿、夾具（包括鏜模）的精度，采用新的刀具，優化切削工藝過程，采用刀具尺寸測量控制系統和控制機床及工件的熱變形等一系列措施外，目前，空心工具錐柄（HSK）和過程統計質量控制（SPC）的應用已成為自動線提高和監控加工精度的新的重要技術手段。
空心工具錐柄是一種采用徑向（錐面）和軸向（端面）雙向定位的新穎工具，其優點是具有較高的抗彎剛度、扭轉剛度和很高的重復精度。在機床上采用空心錐柄的鏜刀，就可使用預調的刀具加工出IT7/IT6精密孔。所示是空心工具錐柄在缸孔精鏜刀具上的應用實例。
SPC是基于工序能力的用于監控工件加工質量的一種方法。目前，在自動線上這種質量保證系統愈來愈多地被用來對整個生產過程中的加工質量進行連續監控。表4是缸蓋氣門導管底孔和閥座底孔在采用SPC監控時的實際加工公差。表4采用SPC監控時缸蓋氣門導管底孔和閥座底孔的實際加工公差（mm）加工部位孔徑公差SPC監控下的實際加工公差（臨界工序能力系數Cpk＝2）導管底孔12H7+0.018+0.009閥座底孔30H8+0.033+0.016
表2日本和德國數控組合機床和數控自動線（1988～1992年）產量、產值產量產值年份1988198919901991199219881989199019911992日本組合機床和自動線50745138565359704260808.2954.91106.21590.11193.1其中：數控組合機床和數控自動線16401640208723261626283.7335.0539.9767.6607.2數控化率（%）32.331.936.939.038.235.135.148.848.350.9德國組合機床和自動線1655837886813644565.2429.8712.2746.7896.9其中：數控組合機床和數控自動線1028149196236274302.0196.0378.3490.6590.5數控化率（%）62.117.822.029.042.553.545.653.165.765.8摘自《1993～1994EconomicHandbookoftheMachineToolIndustry》AMT
C三坐標加工模塊9.輸送帶10.轉塔式多軸加工模塊11.NC二坐標銑削模塊12.有軌輸送小車13.儲料站14.手動夾緊站
組合機床的柔性化主要是通過采用數控技術來實現的。開發柔性組合機床和柔性自動線的重要前提是開發數控加工模塊，而有著較長發展歷史的加工中心技術為開發數控加工模塊提供了成熟的經驗。由數控加工模塊組成的柔性組合機床和柔性自動線，可通過應用和改變數控程序來實現自動換刀、自動更換多軸箱和改變加工行程、工作循環、切削參數以及加工位置等，以適應變型品種的加工。柔性組合機床和柔性自動線用的數控加工模塊，按其數控坐標（軸）數，主要有單坐標（Z）、雙坐標（X-Z、Y-Z、Z-U和Z-B等）和三坐標（X-Y-Z）加工模塊；按其主軸數，有單軸和多軸加工模塊，也有單軸和多軸復合加工模塊。
單坐標加工模塊由數控滑臺和主軸部件（或多軸箱，包括可換多軸箱）組成。雙坐標加工模塊由數控十字滑臺和主軸部件組成，例如數控雙坐標銑削模塊。立柱移動式數控三坐標加工模塊（圖6），其刀具能在三個坐標上實現運動，可根據加工工件的品種和加工任務配備刀庫、換刀機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現多品種加工zui重要的模塊之一。
立柱移動式CNC三坐標加工模塊可利用X軸和Y軸的聯動來實現周邊銑削工藝，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，實現高速（切削速度達2500m/min）周邊銑削，由此減小加工時的切削力和工件的變形。這比采用雙坐標銑削加工模塊用大直徑銑刀進行銑削要*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床和柔性自動線。這類模塊有多種不同的結構形式，但基本上可分為自動換箱式多軸加工模塊、轉塔式多軸加工模塊和回轉工作臺式多軸加工模塊。自動換箱式模塊由于可在專門設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。而轉塔式和回轉工作臺式多軸加工模塊，由于在轉塔頭和回轉工作臺上允許裝的多軸箱數量有限（一般為4～6個），所以這種加工模塊只能實現有限品種的加工。
在自動線上采用CNC三坐標加工模塊和轉塔式多軸加工模塊，不僅可實現不同品種工件的加工，而且在自動線節拍時間內（如果節拍時間允許的話），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，依次實現多道加工工序（粗鏜、半精鏜和精鏜；鉆孔、擴孔和攻絲），從而減少自動線的加工工位數，縮短自動線的長度。
單軸和多軸復合加工模塊是一種三坐標數控加工模塊，可通過自動換刀或自動更換多軸箱而實現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模塊化系統是很有特色的一種模塊化系統，該系統充分應用模塊化結構原理，在作為系統基礎模塊的CNC三坐標模塊上，通過增減各種不同的功能模塊，拼裝成各種不同坐標或不用工藝用途的加工模塊。具體地說，從坐標看，除三坐標外，還可組成雙坐標和單坐標加工模塊；從刀庫看，可裝設刀具庫和多軸箱庫，可單獨實現刀具或多軸箱的自動更換，也可依次實現刀具和多軸箱的更換。
CNCMACH系統，不僅在機械結構方面，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（FMS）。除上述各種CNC加工模塊外，機器人和伺服驅動的夾具也是柔性組合機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器人進行工件的自動上下料，用于工件的轉位或翻轉。為搬運不同的工件，可在自動線旁設置手爪庫，以實現手爪的自動更換。夾具配備伺服驅動裝置，以適應工件族內不同工件的自動夾緊。
該線采用的數控加工模塊有四個雙坐標數控銑削模塊、六個數控轉塔式多軸加工模塊和六個數控三坐標加工模塊。輔助工位有清洗工位和采用機器人進行操作的裝夾工作站。由于組成自動線的加工模塊都是數控的，當由一種工件的加工變換為另一種工件的加工時，只需通過改變數控程序就行了，而無需進行機械等方面的調整和改裝。
4加工精度日益提高表3轎車發動機關鍵件的精度工件名稱項目數值氣缸體頂底面的平面度0.02mm/1000mm缸孔孔徑精度IT6主軸孔同軸度f0.01mm缸體止口深度0.01～0.02mm氣缸蓋進排氣閥座與導管孔的同軸度f0.02mm導管孔孔徑精度IT6氣缸體和氣缸蓋等箱體件工藝定位銷孔孔徑精度IT5孔距精度+0.01mm變速箱體傳動軸孔孔距精度+0.02mm孔徑精度IT6連桿大小頭孔孔徑精度IT6（大頭孔）IT5（小頭孔）孔距精度+0.01mm螺栓定位孔孔徑精度IT6孔距精度+0.03mm
1.鏜桿2.精車缸孔止口用的滑板3.空心錐柄（HSK）4.裝有三個切削刃和三個金剛石導向條的刀頭5.車止口用拉桿缸孔精鏜刀具
1.自動上下料系統2.加工基準面和定位銷孔的回轉工作臺式組合機床3～6、8～10、13～17、21.切削加工柔性自動線7.試漏機11.清洗機12.導管和閥座自動裝配機18.去毛刺機19.清洗機20.凸輪軸軸承蓋自動裝配機缸蓋綜合生產系統
特別自80年代中期以來，汽車制造業為增強其汽車的競爭力，不斷地加嚴其發動機關鍵件的制造公差，并通過計算機輔助測量和分析方法，以及通過設備能力檢驗來提高其產品的質量。目前，在驗收組合機床和自動線時，已普遍要求設備的工序能力系數要大于1.33，有的甚至要求工序能力系數要大于1.67，以便確保穩定的加工精度。應指出，采用Cp≥1.33來驗收設備，這實際上是加嚴了工件的制造公差，即工件的實際加工公差僅為工件給定公差的1/3～1/2，這無疑是對組合機床和自動線提出了更高的要求。組合機床制造廠為了滿足用戶對工件加工精度的高要求，除了進一步提高主軸部件、鏜桿、夾具（包括鏜模）的精度，采用新的刀具，優化切削工藝過程，采用刀具尺寸測量控制系統和控制機床及工件的熱變形等一系列措施外，目前，空心工具錐柄（HSK）和過程統計質量控制（SPC）的應用已成為自動線提高和監控加工精度的新的重要技術手段。
空心工具錐柄是一種采用徑向（錐面）和軸向（端面）雙向定位的新穎工具，其優點是具有較高的抗彎剛度、扭轉剛度和很高的重復精度。在機床上采用空心錐柄的鏜刀，就可使用預調的刀具加工出IT7/IT6精密孔。所示是空心工具錐柄在缸孔精鏜刀具上的應用實例。
SPC是基于工序能力的用于監控工件加工質量的一種方法。目前，在自動線上這種質量保證系統愈來愈多地被用來對整個生產過程中的加工質量進行連續監控。表4是缸蓋氣門導管底孔和閥座底孔在采用SPC監控時的實際加工公差。表4采用SPC監控時缸蓋氣門導管底孔和閥座底孔的實際加工公差（mm）加工部位孔徑公差SPC監控下的實際加工公差（臨界工序能力系數Cpk＝2）導管底孔12H7+0.018+0.009閥座底孔30H8+0.033+0.016
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