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发动机机加工自动线的工废件控制 用机加工自动线加工工件时，来自刀具、毛坯、设备、操作工的技能、在线检具等方面的影响都可能导致工件的报废，但如果采取一定的有效的方式或方法，可将工件的报废数量控制在最低限度。如何在生产实际中达到降本增效的目的呢？本文通过生产现场的一些控制手段介绍了控制机加工工废件的方法。 机加工自动线在实际的生产加工中，即使有了合理的加工工艺、可靠的设备及先进的刀具作保障，往往还会出现一定数量的工件报废。机加工自动线多数为多台不同类型机床组成的组合线，有时由于条件限制，一道工序中前面工位产生的工废要到自动线最后一个工位才能发现，有时由于抽检频次的安排而不能及时发现已报废工件，这些都势必会增加发动机的制造成本，降低设备的开动率，并且严重背离我们所提倡的精益生产精神。将工废控制在最低水平，不仅需要设备、刀具等管理部门的技术人员重视，生产现场管理者同样也应该重视。近几年，上海通用的生产现场管理者在这一方面做了许多摸索、试验和总结，将有效的方式方法应用于实际工作中，使工废率大大下降。注重刀具引起的工废 刀具引起的工废是生产线运行中产生工废的主要部分。从机床供应商配备刀具的情况来看，并不是每把刀具的选择及其切削参数的设定都是最合理的，在实际生产中还需要不断优化。 1. 刀具的优化 刀具的优化需要刀具工程师和生产现场有实践经验的操作工积极参与，他们可以根据自己的实际经验提出独特见解。下面是上海通用的发动机车间有实际工作经验的操作工参与的几个刀具改进的实例： (1) 更改钻头设计降低了深孔钻的折断率 动力总成厂的V6缸体生产线OP30加工主油道的深孔钻，原来采用的是硬质合金头部焊接的麻花钻，加工中由于保证不了孔的直线度，而且焊接牢度不过关，导致钻头频频折断。为此，生产线的老师傅提出将焊接麻花钻改成整体硬质合金直槽钻，使得深孔钻的折断率下降了80% 。 (2) 钻头的横刃修磨改进减少了钻尖崩刃现象 V6缸体生产线OP40/OP50的M111.5、深45.76mm的螺纹底孔钻，刀具供应商修磨的钻尖易崩刃，而该失效形式又很难在自动线上被检测出来，钻尖一旦崩刃，就会由于钻头定芯不好而导致被加工孔尺寸偏大，从而使得大批工件报废。对此，生产线操作工提出改进钻头的横刃修磨，增加横刃处的强度，由此使钻尖崩刃的现象大大减少，工件的报废数明显下降。 (3) 钻尖锋角的改变消灭了切削刃崩刃现象 对于V6连杆生产线的螺纹底孔通孔钻，通过将锋角由140改磨成118，减少了钻头在断续切削状态下切削刃崩刃的现象，从而减少了因螺纹底孔超差引起的连杆批量报废现象。 (4) 镗杆切削参数的调整消除了闷刀现象 对于L4缸体生产线OP120工位的曲轴孔镗杆，由于毛坯供应商在缸体制造上的差异而导致先前能加工1000件的刀具寿命现在只能加工200件左右，并且在200件左右时经常出现闷刀现象，从而导致工件报废。现场操作工通过观察刀片的磨损程度，提出在保证生产节拍的前提下，降低主轴的转速、提高镗杆的进给量，使其既能保证合格的粗糙度，又能消除闷刀现象。因为原来的高转速、小进给切削参数不适合加工目前的缸体材料，导致刀具急剧磨损，使扭矩上升而出现闷刀现象。通过改变刀具的进给量，使刀具的加工寿命提高到可以加工1200件。 2. 实施调刀的规范化，增加调刀中的预防性控制 （1） 设置刀具寿命 生产线应建立比较合理的刀具寿命体系，实施强制换刀方法，同时根据机加工状况进行阶段性的改变和定值。如V6缸体生产线OP40-14R工位的?mm 加工深油孔的麻花钻（加工深度为84mm），在加工164167号孔时，原以为刀具加工后的孔只要检具检验合格，此钻头的工作长度足够，就可一直修磨下去。后来生产线上的操作工通过观察记录发现，在加工中修磨67次以上时，该钻头就出现了断钻现象。修磨次数越多，断钻的概率就越大。经研究发现，随着使用时间的增加，钻头副切削刃磨损的程度越来越严重，最后导致钻头的倒锥变成顺锥，即Kr正角变成了负角，导致钻头加工时的扭矩上升。后来通过合理控制刀具的倒锥及钻头的修磨次数，几乎完全消除了断钻现象。 (2) 建立调刀规范 上海通用动力总成厂发动机的每条机加工生产线上，每把刀具均有标准调刀的操作步骤及要点，这样能够减少因为操作工调刀不规范而产生的工件报废。 (3) 在调刀时做好预防性控制 对于送到生产线上的刀具，虽然已经过调刀部门的调整和验证，但有时也会出现差错，这时，生产线上的操作工增加了一道控制屏障，就将潜在产生工件报废的隐患消灭在萌芽之中。在换刀时要做好以下工作： (a) 长度类尺寸的刀具，当旧刀具拆下后，进行刀具头部顶肩部的长度比较； (b) 新旧刀具形状、角度的目测比较； (c) 丝锥接柄的锁紧力及扭矩松紧的验证； (d) 对修磨刀具进行修磨质量的目测； (e) 调整镗把刀片尺寸时，对刀仪的Master归零刀具调整再验证 Master零点的过程控制及千分表调整时的变化，将指针控制在一圈之内进行调整，避免因圈数看错造成首件孔径超差而使工件报废； (f) 使用钻套的钻头、铰刀类刀具，安装主轴前先在钻套孔中穿孔一次，进行直径的验证； (g) 刀具安装完毕后对刀具刃口的目测等。关注毛坯原因引起的工废 毛坯引起的工废在报废件中占的比例不高，但却不可忽视。毛坯中的硬点、缩孔都是加工中的不利因素，还有，如缸体的缸孔底部因边缘的“多肉”会造成珩磨头损坏，从而导致工件报废，因此，应该尽力做好上料时对毛坯的形体、浇头、多肉等缺陷的检查工作，及时发现、及时筛选，保证上线毛坯件的无干涉输送，避免加工过程中因此而产生工废。 做好设备的TPM工作，减少设备引起的工废 产品在加工时，既有尺寸、粗糙度要求，还有各种形状公差、位置公差的要求，如果其中之一没有达到要求，此工件即成废品。为此，对机床在加工中可能引起的工件报废要做好如下预防措施： 1. 对孔类深度的控制，探测工位的探针要做好日常的TPM工作，减少由于失效而引起更多工件的报废，探针断掉要及时更换，探针弯曲要及时校正。 2. 检查冷却液管的位置及是否畅通。如在加工铝合金气缸盖时，切削丝锥如果没有足够的冷却液对准加工孔及丝锥，将影响丝锥切削中的冲屑、润滑及冷却，严重时会导致螺纹烂牙。铣刀盘在加工平面时，如果湿式加工条件下没有足够的冷却液，也会使加工面粗糙度数值上升，严重时导致工件因粗糙度不合格而报废。此外，刀具还会因冷却不够而导致其耐用度降低。 3. 输送线定位块的定期验证能保持位移定位过程的一致性，减少因为定位块移位而引起工件在输送中翻落造成的工件报废。 4. 操作者应留意设备的异响，减少由于设备的突发性故障而导致的工件报废。 5. 防止切屑堆积导致的工件加工位置尺寸超差。操作者要做好定期的夹具TPM工作，及时排除不利因素。 6. 做好刀库的TPM工作，预防因切屑粘在刀柄上而使加工孔径变大。 进行有效培训，提高操作工的技能，减少工件报废(略）网络化的发动机厂生产监控与生产管理 随着国内汽车发动机厂的生产规模和柔性化水平的提高，越来越多的发动机厂希望实现生产设备的联网并建立生产监控系统，但是，以CNC为核心的发动机生产线对生产监控系统提出了不同于整车厂的软硬件接口要求。 越来越多的发动机厂希望实现生产设备的联网并建立生产监控系统（PMC），与此同时，在生产监控系统的基础上建立生产管理系统。记录发动机生产过程中的各种数据和事件、为每台发动机建立完整的产品谱系成为发动机厂新的目标，这将为今后产品质量问题的追溯和产品召回制度的实施提供可靠保障。 系统概述 目前，国内许多整车厂在自动化生产线上建立了生产监控系统，该系统以网络通信的方式连接了生产线上的PLC，实现了生产设备的状态监视和生产数据的采集。与整车厂相比，发动机厂的生产线控制系统有其明显的不同之处：除了PLC之外，发动机生产线还包含了大量的CNC和运动控制器。 现代化的发动机厂除了需要建立生产监控系统以使生产操作和管理人员更方便地监视生产过程和柔性化地控制生产过程之外，还应该在生产监控系统之上建立生产管理层。这一层应从生产过程中采集大量的产品加工和装配数据，如：每台发动机的序列号、安装在发动机上的零部件的批次编号、发动机装配过程中的测试数据等。这些数据应该被存储在一个面向生产过程的数据库中，如Proficy Historian过程数据库。生产管理层还应该采集发动机生产过程中的事件，如机床换刀、缸体上线、进入返修区等，这些事件应该被存储在一个SQL 2000关系型数据库中。最终，这些数据和事件被生产管理服务器归纳、整理成每台发动机的生产过程档案和一个完整的发动机产品谱系（产品谱系指的是该产品包含何种零部件及每种零部件的批次编号等信息）。这些信息还通过Web方式发布到全厂的客户端计算机，使得发动机厂的生产管理人员在客户端计算机上利用因特网浏览器就可以查询、检索发动机的生产过程档案和产品谱系。生产管理服务器上运行的软件可以是Proficy Production和Proficy Real-Time Information Portal软件包。 生产监控层与发动机生产线的软硬件接口 生产监控层中的计算机一般通过工业以太网与生产线上的PLC和CNC进行通信（见图2），这就要求PLC和CNC具有以太网接口，监控计算机通过基于以太网的通信协议或者开放的OPC技术读取控制器中的数据。根据这一思路，GE Fanuc公司帮助国内某汽车发动机厂建立了生产监控系统。该项目大量使用了GE Fanuc的16i/18i/21i系列的CNC系统，这些数控单元都直接配置以太网接口，并支持基于TCP/IP的FOCAS1应用层协议。运行在线端监控计算机上的ProficyTM SCADA/HMI - CIMPLICITY?软件通过该协议与数控单元交换数据。 整车厂的生产监控系统通常采集各生产工位（生产区域）的设备报警、工作节拍和产量统计等数据，而机加工线的监控计算机必须考虑读取各台机床设备的报警故障状态、刀具寿命、零件程序和各种测量数据，这些数据与整车厂的生产过程数据相比，有着明显不同的数据类型和含义。线端监控计算机从机床设备采集的典型数据如表所示。除了以上来自机床设备的数据之外，生产监控层还需要采集装配线上的发动机条码或RFID等标签数据、测试数据、拧紧装置的力矩数据和发动机零部件的批次编号等数据。这些数据首先被条码扫描器、RF Tag读写器或者PLC所读取，然后再发送到监控计算机上，最终由生产管理层的服务器存储和管理。 生产监控层的功能 发动机厂的生产监控系统由分布在各装配区域和各机加工线的监控计算机构成，这些监控计算机提供动态的监控画面来反映生产设备的运转状态及其相关数据，操作人员通过监控计算机可以完成如下监控操作： 图形监控（见图3） 刀具管理（见图4） 零件程序管理（见图5） 生产管理层的模型结构 建立在生产监控系统之上的生产管理层以过程数据库(Historian)和关系型数据库为基础，由这两个数据库记录发动机生产过程中的数据和事件，并在此基础之上建立发动机生产过程档案和产品谱系。图6是生产管理层的模型结构。 由图6可见，以Proficy Production软件为核心的生产管理层是建立在两个类型不同的数据库基础之上的记录生产过程中各种数据的过程数据库Proficy Historian和记录生产过程中各种事件的关系型数据库SQL 2000。 这两种数据库所起的作用明显不同： 过程数据管理(Historian)记录每台发动机在机加工和装配过程中的各种数据，如：每台发动机的序列号、安装在发动机上的零部件的批次编号、发动机装配过程中的测试数据和拧紧装置的力矩数据等。这些数据在数据库中的存储特点是容量大、存访速度快，甚至可能有以毫秒级的间隔保存10年以上的数据。通常的关系型数据库满足不了如此大容量、高速的数据存储要求，而非关系型的过程数据库采用平面式存储结构，能实现这样的存储要求。 关系型数据库 关系型数据库SQL 2000被用来记录每台发动机生产过程中的各种事件，如：机床换刀、缸体上线、进入返修等。采用关系型数据库不但可以记录这些事件，还可建立这些事件之间以及这些事件与过程数据之间的关联，这为发动机生产过程档案和产品谱系的建立打下了基础。与这两个数据库建立交互操作的是Proficy Production软件中的基础模块“工厂模型”、“事件模型”和“产品模型”，这些模块定义了发动机的产品种类、发动机在生产过程中所经历的各种事件及其所对应的过程数据。 为了精确地记录每台发动机的生产过程，Proficy Production软件还应该记录发动机的关键零部件及其跟踪参数。考虑到很多单个的发动机零部件很难被条码和RFID来标识，通常采用给一批同样类型的零部件分配一个唯一的记录编号、将这批零部件放置在一个载具中并在载具上贴上条码或安装RFID来代表零部件批次编号的方式跟踪这批零部件在生产过程中的使用，而Proficy Production软件也是根据零部件的批次编号为每台发动机建立产品谱系的。 生产管理层的功能 在整个发动机厂的生产网络中，生产管理层实现了如下功能： 生产设备效率分析 产品质量统计及分析 发动机生产过程档案及产品谱系的建立 其中，“发动机生产过程档案及产品谱系的建立”在发动机的生产过程中显得尤为重要。为了实现这个功能，Proficy Production软件将根据数据库中的发动机生产过程中的事件和各种工艺参数建立每台发动机的生产档案，该档案将记录每台发动机的如下信息：发动机的唯一序列号、发动机加工生产过程中的事件及其时间戳、发动机各关键零部件的批次编号、发动机装配过程中的测试数据和拧紧力矩数据等。 如此详细的产品生产过程的记录将为今后的查询和检索提供可靠的数据，同时为今后建立每台发动机的生产过程及其零部件的追溯体系打下了基础。如果发现已出厂的发动机存在质量问题，该质量问题是由生产过程中的某道工序或某批不合格的零部件造成的，那么用户可以依据以上发动机生产过程的档案记录很快地检索出含有同样质量问题的产品，迅速确定需要召回的产品范围，减少损失。 下面的例子是GE Fanuc公司在北美某汽车发动机厂采用Proficy Production软件建立发动机生产过程档案和产品谱系的工程实例。图7是以Web界面显示的发动机生产过程档案，图8是发动机产品谱系的索引。在这个例子中我们可以看到，基于Proficy软件家族的生产监控与生产管理网络的解决方案采用流行的服务器/客户端架构，用户与服务器之间的信息交互操作全部在Web平台得以实现。这样的系统架构使得生产信息在生产管理的各个层次得到了最大程度的共享，也为生产管理人员提供了丰富的决策数据。 解决细节问题改进发动机性能 改进汽油发动机和柴油发动机性能的途径很多，在各种各样的改进措施中包括分级加载、小型化（Downsizing）技术和全变量气门驱动等等。 目前，柴油发动机研制开发的难点是减少有害物质排放量的问题，必须通过创新性的对柴油发动机进行技术革新并且开发出在价位上可以被人们接受的尾气后处理装置，才能达到严格的法律要求的排放标准。 汽油发动机与柴油机有所不同。对于汽油发动机而言，目前最迫切的要求是降低油耗。Opel动力有限责任公司通过市场分析认为，在未来的欧洲市场上，柴油发动机的市场占有率会有所下降，将从目前占绝对优势的60下降到40%45左右，因为相对而言，汽油发动机的优点越来越突出重量轻、结构紧凑、价格低廉、工作可靠。 降低油耗 在FEV发动机技术有限责任公司，汽油直接喷射、全变量气门调节控制技术，小型化技术等是他们在小排量发动机性能改进方面的重点攻关课题。在攻克这些技术难题时，还要附带解决变量密封技术的问题。另外，发动机磨擦对燃料消耗的影响也不可忽视。在发动机的每一个工作循环中，磨擦阻力所消耗的功率占有相当的比例：在汽油机中超过了20，在柴油机中甚至超过了25。不过，后来的试验证明，将曲轴的滑动轴承改为滚动轴承后，可明显减少曲轴的磨擦阻力。 在汽油发动机中，采用了汽油直喷技术后，可降低油耗15以上。在小型化技术的可行性试验中，FEV公司利用一台3L排量的6缸自然吸气汽油机与一台4缸1.8L排量的增压发动机进行了对比试验，在相同的输出功率条件下，汽油机可降低油耗16，如果再辅助采用全变量密封技术，可将油耗减少23，另外，小型化技术与直接喷射相互配合的非常好。Opel公司在2L排量的4缸汽油发动机中也采用了小型化技术和增压技术，将来在其他小排量发动机中，他们也会逐步采用这些技术。 在柴油发动机中，是否采用小型化技术主要取决于是否可以降低有害物质排量，而柴油机有害物质的排放量可通过新的微粒过滤系统来解决，可在不采用新的降低油耗的措施下保证达到法律法规规定的排放标准。在柴油机的研制开发中，增大柴油机的输出功率始终是各发动机供应商研发的一个重点。在FEV公司，目前每升柴油所能输出的功率已经达到了30kW，有些高性能柴油机可达60 kW/L，而提高柴油喷射压力仍是未来柴油机设计的一个重点发展趋势。目前，柴油喷射压力已达150200bar之间了，这样高的柴油喷射压力对发动机制造所使用的金属材料也提出了很高的要求。目前有一种新型的片状-球墨铸铁被研制开发出来用以取代传统的灰铸铁机体。这种新型的铸铁材料的机械强度是传统灰铸铁的两倍。据奥迪公司介绍，用片状-球墨铸铁制造的3L V6TDI发动机机体的重量减轻了7kg。 三次喷射 柴油三次喷射技术也是人们研究的另一个重点。奥迪公司在他们的A8轿车和新型A6Limousine轿车中安装了采用柴油3次喷射技术的3.0V6TDI发动机，这种发动机最主要的特点是采用了Bosch公司研制的第三代直喷系统 一种采用了压电直喷技术的柴油喷射系统。奥迪公司这一新的6缸柴油发动机的输出功率为171kW/233马力，最大输出扭矩为450Nm。 分级增压 Opel公司和BMW公司都在自己的柴油发动机设计中采用了分级增压技术。分级增压的工作原理是：当发动机在低速范围内工作时，一个小型的高速增压器进行工作。它在不影响发动机工作的情况下为发动机提供废气回用气体。当发动机在180030001250r/min工作时，另一个大功率的低速增压器也投入增压工作。当发动机的转速高于30001250r/min以后，只有大功率的低速增压器自己单独的为发动机提供压缩空气。 Opel公司为一种4缸发动机研制了这种分级增压技术。这种1.9L的CDTI 4缸发动机在采用了二级增压技术后，达到了当今世界上柴油机的最大功率每缸82kW/112马力。 在BMW公司535d型3L直列发动机中，每缸的功率数值达到了66kW/90马力。BMW公司在奥地利的柴油机专业厂Steyt（斯太尔）生产的这种柴油机的最高转速可达4800r/min。 从2004年秋季开始，BMW公司的535d型轿车采用了能提供更大的功率的6缸3L排量的柴油发动机，该柴油发动机的额定功率为200kW/272马力，最大输出扭矩可达560Nm。该柴油发动机设计中的最大特点是二级增压，如同Opel公司在Vectra OPC轿车中使用1.9L排量156kW /212马力的CDTI发动机一样，利用这种二级增压技术，柴油发动机在大功率和低油耗两方面都有良好的表现。据Opel公司称：在不增加燃油消耗的情况下，采用二级增压技术后可提高功率达50，在相同输出功率的情况下，它还可以减少燃油消耗近25。 变气门控制 另一个令人瞩目的发动机研发项目是Eschen市的泰森集团Presta股份公司一直在进行的变气门控制技术。Presta公司可望于2007年2008年时将这种“Delta Valve Conteol”变气门控制技术应用于汽油和柴油发动机的实际生产制造中。 变气门控制技术的主要特点是：气门的行程、气门开启角度可以连续变化，可以实现气门的开、关控制，气门的开启行程与开启角度（时间）同时减少，发动机可以智能地调节控制其配气相位。该变气门控制系统由一个气门行程控制系统进行控制，共有5个不同等级的气门行程分级方式和全变气门控制方式。这样一来，在汽油发动机的负载控制中可以明显地减少负载变化损失。据Presta公司称，这种变气门控制技术可减少汽油发动机的燃油消耗12%18。除此以外，变气门控制技术还可以明显降低发动机排气中有害物质的含量。变气门技术还有一个优点：驱动功率小，仅50W。 “Delta Valve Conteol”变气门控制系统的设计是非常成功的，它仅由几个最小的零部件组成，对于一个4缸汽油发动机来讲，一套这样的变气门控制系统的销价仅200欧元左右，成本非常低。 该变气门控制系统可利用简单的支架安装到汽缸盖上。在汽油发动机中，变气门控制系统是安装在缸盖进气门一侧的；而在柴油发动机中，Presta公司将变气门控制系统分别配置在发动机缸盖的进、排气门处。目前，这种双变气门控制的柴油机样机已在小批量生产之中。 由于到目前为止在汽油直喷技术中一直没有令人鼓舞的突破性进展，有的汽车生产厂家开始采用其他方法了。目前，已经有一家德国的汽车生产厂家和一家法国的汽车生产厂对变气门控制技术非常看好。为汽车模具的设计加速 中国汽车模具产业正以其日新月异的速度快速成长着，作为加工制造数字化行业的引领者，Cimatron 软件在模具行业也发挥了巨大的作用，其清新的功能犹如一股新鲜的血液注入到他的身躯里，加速模具产业发展的脉动。Cimatron E系统是Cimatron 公司在Windows操作系统环境下原创的、高度集成的CAD/CAM软件，是为用户提供从产品设计到模具设计以及加工制造的整个工作流程的解决方案。它拥有强大的数据转换接口，除了涵盖所有的工业标准数据格式（如：IGES、STEP、DXF等），还可以直接读取一些主流系统的数据格式（如：CATIA、UG、Pro/E等）。Cimatron的数据交换接口不仅能实现数据交换，在转换的过程中还可以同时检查对方几何信息的完整性，对存在问题的几何信息也可以进行自动修复。在模具的设计制造部分，Cimatron 软件特有的快速分模（QuickSplit）功能可以帮助模具制造者快速高效地完成汽车模具的设计过程。Cimatron E的快速分模功能可以对模型进行脱模角度检测并且指定用色差图来显示不同脱模角度，还可以指定型芯、型腔、滑块和斜顶等多个不同的分模方向，同时进行脱模角度的检测。在快速分模环境中，按照Cimatron E提供的向导工具条的顺序，对零件进行分模操作。首先指定型芯型腔和滑块的分模方向，自动区分零件曲面到不同的分模几何集合；下一步自动产生模型的内外分型线，通过自动产生的内分型线填充出内分型曲面；为了使创建的外分模曲面更加符合实际生产的要求，通过造型曲面和自动分型面混合操作的方式就可以得到所需要的分模外形。Cimatron E提供了向导式的工具条来引导操作者进行分模，而且针对不同的曲面实体都可以快速地进行拆模，不需要事先对模型进行缝合实体操作。分模线和分模面都可以自动生成，也能人为修改。作为世界一流的面向制造行业的CAD/CAM方案供应商，在NC技术上实现了新的突破智能NC，它结合了当今最先进的加工技术：自动化NC（ANC）和基于知识的加工（KBM）。这些技术又与毛坯残留知识达到了实时结合。Cimatron的智能NC代表了当今在NC技术领域上的一个突破。Cimatron的KBM为用户提供了优化刀迹轨迹和产生更加高效的NC代码的能力。此外，Cimatron NC 支持从2.5到5轴的高速铣削，毛坯残留知识和灵活的模板有效地减少了用户编程和加工的时间，Cimatron NC提供了完全自动基于特征的NC程序以及基于特征和几何形状的NC自动编程。大批量生产制造系统的柔性化 从技术层面来讲，加速推进以数控技术为核心的高效柔性制造技术将是解决机床制造业持续发展的关键。本文介绍了柔性技术的发展过程、现阶段柔性技术的应用以及覆盖到大批量生产领域的发展趋势，并从柔性生产系统的角度阐述了在大批量生产中柔性化应用的特点、优势及技术成熟度。 柔性制造技术的发展 柔性制造技术的提出已经有20多年了，其内涵越来越丰富，应用范围已从原来的多品种、小批量生产领域发展到有约束的品种、可大批量生产的领域。在技术上，揉合了诸如精益生产（LP）、敏捷制造（AMS）、重构生产系统（RMS）等先进的制造模式，并已成为这些先进制造模式的一个重要基础。柔性制造技术的概念已不再是单纯的制造技术，而在更广泛意义上是先进生产制造系统模式的技术组成环节。以前，由于理念的差异，同时考虑到人们对一些新技术内涵的认识水平，为避开大批量制造系统的柔性化与常规定义的柔性制造系统（如FMS）的冲突，我们往往将这类生产线规划在另一个范畴里，称为“可调生产线或系统”。这种划分约束了一些先进技术的应用，大大影响了生产系统的技术进步。随着人们对柔性化技术的认识和其内涵的不断发展，这种具有不同生产模式柔性特点的大批量生产线或系统已成为柔性生产系统中一种最重要的形式。 柔性生产系统的常规形式 柔性生产系统(FPS)。其原始形式是以通用机床按机群方式布置来进行生产，辅以成组技术规划，这种人工化的生产具有最大的柔性化程度。 柔性制造系统（FMS）。FMS以数控设备（NC）、加工中心（MC）、柔性单元（FMC）和柔性生产系统为基本配置，通过自动化物流储运系统组成。柔性是这种制造系统的最大特点，它能满足一组（根据零件不同的复杂程度和大小，可适应十几个到上百个品种）相似零件的混流生产，生产规模理论上可由单件到几千件。这种制造系统投资非常巨大，技术也相当复杂。值得注意的是，我国在纺织机械行业和机床行业曾经引进过多条FMS，却基本上没有真正地充分利用过。 柔性自动线（F）。FTL是FMS为了适应高生产率，在合理配置 柔性系统后而发展和变异出来的一种生产线，是柔性技术向大批量生产发展的一种趋势。通常，FTL是由一些具有一定柔性的设备按一定的工艺流程排列，由工件自动输送系统连接起来，能依次轮番加工几种不同产品的自动线。由于这种制造系统形式在发展的初期受到设备、刀具及辅助技术等方面的限制，其柔性的自动化能力相对较弱，在技术上更接近于刚性自动线，所以人们一般称其为“可调生产线或系统”。 柔性加工线（ FML）。随着设备、刀具及各种辅助技术的发展，柔性加工技术在大批量生产中的应用趋于成熟，FML线就是这种成熟意义上的适用于大批量、少品种柔性加工概念的一种制造手段。FML一般由常规的加工中心组成（按需要可以增加其功能），配合高速运行的输送机械手直接进行机床的上下料作业。 与FMS相比，FML具有如下特点：a. 改变了由托板夹具输送工件的方式，使原工件上下夹具的手动作业变成了自动作业，提高了生产线的自动化能力，这是大批量生产的必然要求。b. 由于输送机械手的作业方式是并行作业，所以它具有与FMS的AGV输送小车相同的功能，能够灵活地对生产线内不同产品或工序进行调动安排，从这个意义上讲，两者的柔性度相仿。c. FML出于大批量生产的要求，生产系统（线）的组织是以典型工序为流程进行布局，因此，单一系统（线）的规模可以比较大，且扩展更方便。d.从对控制技术的要求来看，FMS与FML有着基本相同的要求和功能，它们的区别仅仅在于：FMS加工品种更多而对生产实时调度和优化管理的要求更高。e. 由于在FML中工件直接由机械手上下机床的夹具进行装卡，所以当机床安装的夹具不能满足工件变化的装夹要求时，需手动调换不同零件的托板（带夹具）。与FMS相比，由于FML是以托板储存方式进行工件的上下机床，所以它对工件的变化是在线外的，这就是柔性的差异。由此可见，FML在其规划范围内的柔性定义和能力更接近于FMS，同时又具有FTL的高效生产率。目前，FML应用于汽车和发动机制造行业已经成为一种趋势。 柔性化在大批量生产中的应用特点 随着制造业各种技术的不断发展，生产方式和制造理念也在不断地创新。过去的基于品种经济、单纯为解决品种和小批量制造之间的矛盾而创造的柔性制造技术已经从概念上扩展到可应用于规模经济的各种制造模式和不同生产规模的生产系统中，并被赋予了更多的市场与生产、投资与成本、运行与效率等要素。 从20世纪90年代初期开始，在很多大批量生产的制造领域，尤其是在汽车发动机制造项目的设计上，几乎都可看到柔性化技术，其中最典型的是FML或由FML组成的生产系统。 目前，在国内外大批量生产线或系统中，人们不再盲目追求现行规划的生产线加工品种的柔性能力，而是要求将品种约束在一定的经济范围内，品种的变化是可预测的。而生产线或系统对产品变化的适应能力，应该从更大范围内在技术层面上加以考虑，即生产线或系统的可重构能力，它不但分阶段地解决了品种生产的问题，而且还延长了生产线或系统的生命周期，所以在大批量的生产制造线或系统中更应该重视如下几个方面： 生产线各工序间的柔性； 生产线运行的作业柔性； 生产系统冗余度的柔性； 产品周期后生产系统重构的柔性。 大批量生产中的柔性技术 1. 切削和刀具技术的发展 切削和刀具技术是制造业中发展最快的技术之一，由其发展而带动的设备的革命奠定了各种生产制造模式创新的基础。近十几年来，随着各种材料和涂层技术的发展，刀具的切削速度有了极大提高，如上海通用汽车在铸铁机体顶面的精铣加工中，切削速度已达2000m/min。切削速度进入高速范畴后，不但提高了加工效率，而且所有的切削条件都将得到改善，使加工质量和刀具耐用度有了较大的提高，降低了功率的消耗。为满足高速切削的需要，刀具系统必须相应地向前发展，如：HSK、FM、CAPTO、WSU等先进的刀具连接系统的出现，使刀具的安装精度几乎提高了1倍以上（径向重复定位精度提高了1倍，轴向定位精度提高了约400倍），刚度也提高了30以上，同时，这些新型的刀具连接系统几乎不受机床主轴安装孔制造误差的影响。随着刀具切削的高速化以及新型刀具的不断推出等，生产效率得到了极大的提高。有资料显示，占产品生产成本3%6的刀具新技术的投入将会使生产效率提高15%30%。与此同时，刀具技术的发展也促进了设备技术的发展。 2. 柔性设备技术的发展 随着切削技术和控制技术的发展，各种机械加工设备取得了很大进步，尤其是加工中心，发生了革命性的变化，如高速加工中心、并联机床等，与一般的数控机床和加工中心相比，在内涵上已发生了质的变化，被称为“下一代机床”。 柔性设备技术发展的一个显著特点是高速化。对于加工中心、车削中心和加工单元等柔性设备，高速化的衡量指标有两个：主轴的高转速，一般定义在10000r/min以上；高运动速度，一般要求坐标运动速度在60m/min，加速度在1g以上。由于高速技术的快速发展和成熟，对常规柔性设备性能的提高有非常大的促进，现在比较优秀的常规加工中心的转速配置为6000r/min，坐标运动速度和加速度都分别在40m/min和0.4g以上。这些指标非常适合于目前的刀具技术对铸铁零件和铝合金零件的加工，同时大大降低了非加工的辅助时间。据初步分析计算，用一般的加工中心在钻、攻、铰类的孔系加工中，非加工的辅助时间占加工运行时间的50以上（与有关资料相吻合）。如用比较优秀的加工中心，在同样的切削参数条件下，辅助时间可以节省30以上。由于充分利用了高速切削技术和高速运动的机床，使单轴的柔性化设备有条件应用于大批量生产中。 柔性设备技术发展的另一个显著特点是可重构性。加工中心作为一个完整的加工体，其可重构性是不言而喻的。随着大批量生产线（自动线）的柔性要求日益提高，产生了加工单元（或称为在线式加工中心），它可以方便地作为一个加工工位串在生产线或自动线中使用。由于这种机床仅以切削运动独立配置成一个加工单元，其加工方式又类似于加工中心，所以只要简单地将为某个制造要求配置的台面、夹具及其他的辅助部分分离，其独立配置的一个加工单元就可以比较快地重新组合成新的加工设备或工位。随着重构内涵的扩大，出现了像并联机床那样的部件重构概念，当然，并联机床的市场化还需要一段时间。由于加工中心和加工单元的可重构性，这类机床有较长的使用周期，即设备在产品周期外的残余价值较高，更重要的是可再利用价值非常高。 3. 集散型控制技术的发展 集散型控制主要体现在操作、监视和管理的集中和行为单元的控制分散方面。集散型控制技术的发展促进了单体控制技术与网络技术的合成。网络技术的发展使基于单体的数控系统功能向生产线工作站、生产线系统乃至车间级生产系统进行发散成为可能。由于这种发散或开放性，使得管理层可以自上而下地集成各单机、单元的数据和信息，组成系统的、完整的信息流。 在分散型控制的状态下，以加工单机型工位为独立对象，基本网络有两层：1. 加工单机或加工工位级的行为通讯采用Profibus网络；2. 生产线或生产系统（包括单机）的管理信息通讯采用Ethernet以太网络。有了这样的基础，从网络概念上来看，工厂在生产制造过程中可形成：1. 基于加工制造现场（如生产线、生产单元控制级）的现场网络；2. 基于一个部门（如工段或车间信息管理级）的单元网络；3. 基于一个分厂或公司的数据集成级的区域网络。 这些网络功能的形成，极大地丰富了柔性生产制造系统（线）的内涵，提高了生产系统运行的效率和质量。换言之：像柔性生产制造这样的自动化系统必须在信息集成的环境中才能发挥更大的作用。一般网络具有如下几个方面的管理功能： 数据管理a.自动或手动获取机床的运行时间、故障、报警等信息；b. 备份、压缩和归档机床的各种数据；c.生产运行数据的归档。 机床状态评估a. 单机状态评估：故障原因分析、单台机床利用率分析；b. 成组机床或生产线评估：成组机床状态分析、利用率分析。 刀具数据信息和管理a. 刀具需求分析：总需求量、根据各机床加工内容分析刀库量；b. 刀具计划：装载和卸装刀具的清单、准备刀具的信息、刀具的处理信息；c.刀具数据：刀具数据的信息通讯。 NC程序管理a. NC程序数据的传送；b. NC程序数据的存档；c. PLC数据的备份与传送。 设备的维护管理a. 机床维护计划的执行提示；b. 维护工作的技术支持，如维护资料的信息、现场图纸等；c. 记录维护工作的完成情况。 生产数据管理a. 设备加工数据的统计；b. 设备故障诊断数据与统计；c. 故障分析改进处理和服务；d. 用户输入故障处理、改进的信息。 远程诊断a. 远程监控、诊断与控制；b. 文件传送；c. 对话。 4. 制造系统组织重构的要求 制造系统组织的重构可分为静态重构和动态重构。静态重构对应产品的变化，当一个生产制造系统的制造任务发生变化后，即加工的产品改变了，生产制造系统就应该进行静态重构；动态重构对应产品改进和生产需求发生变化而进行的生产制造系统资源的变化。由此可见，不可预测的、持续变化的制造环境是要求生产制造系统具备可重构的根本因素。柔性生产制造系统正是由于系统结构和组成系统设备的特点，已具备了静态和动态重构的双重条件。 生产制造系统的可重构性能力对生产制造资源的经济使用有着极其重要的意义，如上图所示：第一种产品以100的投资形成生产资源，到第2阶段，资源的残余价值为50%，随着产品的改进和生产的需求，在23阶段再进行15%的投入，对生产系统进行动态重构，到第4阶段，资源的残余价值又下降至40%，随着产品的改变，在生产规模不变的条件下，于第4阶段再投入30%对生产系统进行静态重构。随后的第二种产品如同第一种产品，在生产过程中进行动态重构。 Cimatron E 在汽车模具加工方面主要有以下特点：3轴粗加工：Cimatron NC 强大的粗加工程序及其超乎想像的高效加工策略提高了使用者的生产效率，精确的剩余毛坯模型始终贯穿在整个加工程序中，有效地减少了空切。程序自动创建进退刀方式，并且根据实际刀具载荷自由地调整进给速度。粗加工程序提供了多种加工策略，我们可以通过加工区域、边界曲线以及检查曲面来限制加工范围并且全面支持高速铣削。3轴精加工：强大的3轴精加工程序提供了基于模型特征的多种加工策略，几何形状的分析带给我们高效率及高质量的曲面精度。水平和垂直区域可以用等高加工、自适应层、真环切以及3D等步距等策略。精加工还包括例如清根和笔式的残料加工以及高速铣削的优化选项。毛坯残留知识：智能NC计算毛坯残留量，基于毛坯残留知识减少不必要的刀路，每次刀轨计算之后自动更新毛坯并计算零件与毛坯之间的区别，全流程模板可以用来再次计算，并能容易地适应新的几何零件，Cimatron 已经证明其可靠的柔性策略显著地缩短了加工中时间的定义，提高加工的稳定性。高速铣削（HSM）：Cimatron高速铣削提供了多种高级刀路特征来满足用户的加工过程，这些包括智能开粗、智能进刀以及二次加工能力，另外还包括螺旋进刀、圆角走刀、圆角连接、摆线加工、NURBS插补、进给速率优化以及切削载荷恒定等特征。 残料加工：残料加工功能清除前一把（大的）刀具不能进入的区域，在加工的特征来源与对几何形状的分析上，对不同的特征实施合适的加工策略，这些特征包括：某一层的粗精加工、流线铣和型腔环切。自动清根功能对零件进行区域识别、计算，自动检测需要清根的区域，并对垂直区域和平坦区域的清根采用不同的加工策略，对平坦区域采用沿零件拐角的轮廓式清根，对垂直区域采用等高线式清根，这在前道工序留有较大余量的情况下，实现了具有针对性的加工策略，有效地保护了刀具，保证了加工结果的优良性。多轴加工：Cimatron 为用户提供了从定位5轴到多轴联动的全方位加工功能，结合2.5轴至3轴铣削和钻孔功能，5轴加工提供给用户仿真和在加工方向上编辑刀具的移动功能。5轴联动铣削包括粗加工，控制前倾角和侧倾角的精加工，侧刃铣削以及刀长较短时自动倾斜功能，5轴铣削能有效地提高加工效率、延长了刀具使用寿命并产生高精度的曲面。通过上述的高速铣削加工过程，型腔表面通过抛光可以得到镜面的效果。Cimatron E软件在汽车模具制造中发挥了重要作用，相信随着制造技术的进步，Cimatron公司能够提供更先进的功能模块，更加缩短交货周期。 发动机再制造技术的应用 当前，发动机再制造技术已经引起了众多汽车公司的广泛重视。应用这项技术可以有效降低生产成本，提高售后服务层次，增强产品的综合竞争力。在汽车行业，“发动机再制造”已经不再是一个新名词了，人们通常认为它属于售后服务范畴，而事实上，在发动机的生产环节，再制造技术也发挥着不可替代的重要作用。在发动机制造厂，应用再制造技术对在线次品进行二次加工后的产品作为维修备件纳入售后服务系统，是对主生产线的重要补充。它不仅为汽车工业带来巨大的成本节约，同时也是有利于资源再利用的“绿色工程”。起源发动机再制造技术起源于20世纪40年代的美国，二战中美国的参战使得汽车供应异常紧张，军队的订单雪花般飞向各汽车公司。FORD公司的发动机供应一度严重短缺，公司将厂内的在线次品发动机零部件按照维修级标准进行再次加工，便产生了“再制造发动机”，其稳定可靠的质量同样获得了军方好评。二战结束后，这种方式便延续了下来，成为各个汽车厂家售后服务的一项内容，发动机再制造技术也开始广泛地应用，并进入快速发展阶段。如今，发动机再制造在欧美已经发展成为一个巨大的产业。在北美，有近1万家工厂生产再制造发动机，每年生产超过300万台的再制造发动机，产值超过25亿美元；在德国，大众公司近50年以来累计生产再制造发动机720万台，近年来在售后服务系统销售的再制造发动机与新发动机的比例达9:1。再制造发动机来源于社会再制造企业和汽车制造厂自己的发动机再制造分厂。前者生产各种型号的再制造发动机，而后者只生产本公司产品，其提供的再制造发动机占据了行业总产量的大部分。国内发动机再制造技术的应用1998年，上海大众成立了自己的发动机再制造车间，标志着发动机再制造技术在我国汽车制造业应用的开始。在雪铁龙、通用、福特、丰田等知名品牌的售后服务体系中，几乎见不到“再制造发动机”这个词。在1998年以前，上海大众也和这些厂家一样，引导他们的汽车用户在发动机损坏时，更换全新的总成或零部件。究其原因，是由于当时我国缺乏再制造技术和设备的支持，发动机再制造的概念未被广泛接受，国内的售后市场也不具备充分的条件。在生产环节中，由于没有再制造技术的支持，只好强行规定，在线次品一律报废，因此，在一些汽车公司的发动机零部件生产线附近，往往会专门安排一些设备用来销毁次品，以防止它们经非法渠道流失到社会上。被销毁的次品往往占总产量的3%5%，这无疑是一种巨大浪费！作为全球第一品牌的发动机再制造设备生产商，美国SUNNEN公司看到了再制造发动机在中国的巨大商机，适时成立了上海善能机械有限公司，在中国销售SUNNEN全系列发动机设备，试图领先中国的发动机再制造行业。目前，SUNNEN设备已经应用于上海大众、济南复强等发动机再制造的关键工序上。现在，中国的汽车工业正在以前所未有的速度向前发展，汽车厂商之间的竞争愈演愈烈，降低成本是大家的共同目标，发动机再制造的必要性越来越凸显出来，应用这项技术来降低生产成本，提高售后服务层次，增强产品的综合竞争力，是每一个汽车生产厂家的共同需求。工艺过程在线次品的再制造对象主要是发动机厂的几大自制件缸体、缸盖、曲轴、连杆和凸轮轴。产生在线次品的原因分为两大类尺寸超差和材料缺陷。针对这两大类原因，采用先进的再制造设备对它们进行加工，可以挽救大部分残次品，重新赋予它们生命。叽绯?曲轴的大、小轴颈，缸体的缸孔和缸体总高度（主轴承孔中心到缸体上平面的距离），缸盖高度等关键尺寸超差，是造成发动机零部件在线次品的常见原因。将它们