组合机床和自动线的技术发展VIP

组合机床和自动线的技术发展 ( 续 ) 大连组合机床研究所 李如松 4 加工精度日益提高 特别自 80 年代中期以来 ,汽车制造业为 增强其汽车的竞争力 ,不断地加严其发动机 关键件的制造公差 (表 3 ) ,并通过计算机辅 助测量和分析方法 ,以及通过设备能力检验 来提高其产品的质量 。目前 ,在验收组合机 床和自动线时 ,已普遍要求设备的工序能力 系数要大于 1133 ,有的甚至要求工序能力系 数要大于 116 7 ,以便确保稳定的加 工精度 。 应指出 ,采用 1 . 33 来验收设备 ,这实际 上是加严了工件的制造公差 ,即工件的实际 加工公差仅为工件给定公差的 1/ 3 1/ 2 (图 13) ,这无疑是对组合机床和自动线提出了更 高的要求 。组合机床制造厂为了满足用户对 工件加工精度的高要求 ,除了进一步提高主 轴部件 、镗杆 、夹具 (包括镗模 ) 的精度 ,采用 新的专用刀具 ,优化切削工艺过程 ,采用刀具 尺寸测量控制系统和控制机床及工件的热变 形等 一系 列 措 施 外 , 目 前 , 空 心工 具 锥 柄 (和 过程 统 计质 量 控 制 ( 的应用已成为自动 线提高和监控加工精度的新 的重要技术手段 。 空心工具锥柄是一种采 用径向 锥面 ( ) 和轴向 (端面 ) 双向定位的新颖工具 , 其优 点是具有较高的抗弯刚 度、 扭转 刚度 和 很高 的 重复 精 度。在机床上采用空心锥柄 的镗刀 ,就可使用预 调的刀 具加工出 密孔 。 表 3 轿车发动机关键件的精度 工 件 名 称 气缸体 :顶底面的平面度 01021000孔孔径精度 轴孔同轴度 0 . 01 体止口深度 0 . 01 0 . 02缸盖 :进排气阀座与导管 孔的 同轴度 0 . 02 管孔孔径精度 缸体和气缸盖等箱体件 工艺定位销孔 :孔径精度 距精度 + 0101速箱体 :传动轴孔孔距精度 + 0 . 02径精度 杆 : 大小头孔 :孔径精度 大头孔 ) 小头孔 ) 孔距精度 + 0 . 01栓定位孔 :孔径精度 距精度 + 0 . 03缸孔精镗刀具上的应用实例 。 基于工序能力的用于监控工件加 工质量的一种方法 。目前 ,在自动线上这种 质量保证系统愈来愈多地被用来对整个生产 过程中的加工质量进行连续监控 。表 4 是缸 图 14 所示是空心工具锥柄 图 13 工 序能力系数与加工公差的关系 组合机床与自动化加工技术 2 8 图 14 缸孔精镗刀具 ( ) 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 11 镗杆 21 精车缸孔 止口用的滑板 31 空心锥柄 刃和三个金刚石导向条的刀头 51 车止口用拉杆 41 装有三 个切 保健和清洗工艺的合理化等要求 ,目 盖气门导管底孔和阀座底孔在采用 控时的实际加工公差 。 表 4 采用 控时缸盖气门导管底孔 和阀座底孔的实际加工公差 ( 管底孔 12 01018 + 01009 阀座底孔 30 01033 + 01016 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 (图 15) , 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 。 511 清洗 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 。 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 1 6 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 图 15 缸盖综合生产系统 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 11 自动上下料系统 21 加工基准面 和定位销 孔的回转 工作台式 组 合机床 3 6 、 8 10 、 13 17 、 211 切削加工柔性自动线 71 试漏机 111 清洗机 121 导管和阀座自动装配机 181 去毛刺机 191 清洗 机 201 凸轮轴轴承盖自动装配机 1999 年第 2 期 2 9 ( ) 控下的实际加工公差 加工部位 孔径 公差 洗。 图 16 转向器壳清洗工艺流程 ( 司 ) 进行 10 0 %的检验 测量 ,为 此 ,在精加工 工位后设置测 量工位 。图 1 7 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 50m 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 512 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 。 在自动线上 ,自动测量可分为加工前测 量和加工后 测量 。 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 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 : 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 513 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 。 图 18 所示是缸盖进排气阀座和导管的 装配工序图。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 。 514 密封性试验 对一些有密封性能要求的工件 (如缸体 、 组合机床与自动化加工技术 3 0 A) 测量任 务 图 17 缸盖气门阀座锥面和导管孔的 综合精度测量 B) 测量装置 11 安装板 21 压缩空气接头 31 可浮动的弹性支承 41 机械 定心头 51 测量导管孔的 测量心棒 (设 有 测量喷嘴 ) 61 测量阀座深度的两个电感应测头 71 可旋转的环形喷嘴 缸盖和进排气管等 ) ,在自动线上经一定的切 和维修人员能及时地进行干预 ,以缩短设备 削加工后 ,需进行密封性试验 ,以防止不合格 调试周期 、减少设备停机时间和避免加工质 工件进入下一道工序 ,以致影响产 品性能 。 量偏差。 工件密封性检验 ,既可纳入自动线也可 显然 ,提高自动线的利用率和工件加工 设置在自动线系统中 ,一般视自动线节拍的 质量是生产控制和监控的主要目的 。 长短而定 。 从目 前自动线 生产控制 和监控 的内容 监控系统这几个部分组成的 。 自动线的经济性只有在其进行连续生产 近年来 ,质量监控已日益成为现代自动 的情况下才有可能实现 。为提高自动线加工 线生 产监控的重要一环 。这主要是由于汽车 过程的可靠性 、利用率和工件的加工质量 ,目 工业不断提高发动机质量的缘故 。各汽车制 前在自动线上愈来愈多的采用过程监控 ,对 造厂普遍要求将零件的设计公差带压缩 1/ 3 其各组成设备的功能 、加工过程和工件加工 1 / 2 作为工序公差 ,对机床能力系数提出 质量进行监控 ,以便快速识别故障 、快速进行 了很高的要求 。为此 ,自动线制造厂为确保 故障诊断和早期预报加工偏差 ,使操作人员 设备具有稳定的加工质量 ,已日益重视应 用 图 18 缸盖进排气阀座和导管装配工序流程 1999 年第 2 期 3 1 看 ,生产控制和监控系统基本上是由质量监 6自动线可靠性和利用率 不断改善 和 控系统、自动线运行控制与监控系统和刀具 提高 自动线的生产过程进行连续监控 ,对 切削过程监控 ) ( 刀具碰撞 、刀具磨损和刀 加工质量偏差的趋向进行早期预报 ,以便把 具破损等监控 是现代自动线过程监控的重 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 。 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 (图 19 ) 。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。 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 %。 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。 图 20 是攻丝监控系统的原理 。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 图19 集中控制和分散控制 的比较 3 2 组合机床与自动化加工技术 图 20 攻丝监控原理 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 11 34 件降为 8 件 。在德 国大众汽车厂 ,前些年已使用这种系统 150 0 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 20 00 件 。 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 。 711 组合机床设计普及 术 在国外许多公司中 , 组合机床设计已普 遍采用 作站 ,在设计室几乎很难见到 传统 的绘图板 。 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 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 Ho n 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 。 712 推行并行工程 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 (n) 。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 。 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 1999 年第 2 期 3 3 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。 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 In 德国的 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 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 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 。