浅析机械加工生产线发展状况

徐林栋?宋佳芮?刘景涛

摘 要：对机械加工生产线在节拍时间、柔性化进展、加工精度、综合自动化程度、可靠性和利用率等方面的进步和 发展 进行了阐述。并对其未来发展趋势进行了分析、展望。

关键词：柔性化；自动化；加工精度

从二十世纪20年代开始，随着汽车、滚动轴承、小型电动机和缝纫机等 工业 发展，机械加工制造中开始出现自动线，最早出现的是组合机床自动线。机械加工制造业中有铸造、锻造、冲压、热处理、焊接、切削加工和机械装配等自动线，也有包括不同性质的工序，如毛坯制造、加工、装配、检验和包装等的综合自动线。

采用自动线进行生产的产品应有足够大的产量；产品设计和工艺应先进、稳定、可靠，并在较长时间内保持基本不变。在大批、大量生产中采用自动线能提高劳动生产率，稳定和提高产品质量，改善劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期，保证生产均衡性，有显著的 经济 效益。

1 机械加工生产线的发展状况

在汽车、拖拉机、内燃机和压缩机等许多工业生产领域，组合机床生产线仍是大批量机械产品实现高效、高质量和经济性生产加工的关键装备，也是不可替代的主要加工设备。现针对组合机床生产线来说明一下国内机械加工生产线的发展情况。

现代 组合机床生产线作为机电一体化产品，它是控制、驱动、测量、监控、刀具和机械组件等技术的综合反映。我国传统的组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制，近年来随着数控技术、 电子 技术、 计算 机技术等的发展，组合机床的机械结构和控制系统也发生了翻天覆地的变化。

1.节拍时间进一步缩短。早期的生产线要实现短的节拍，往往要采用并列的双工位或设置双线的办法。现在主要是通过缩短基本时间和辅助时间来实现的。缩短基本时间的主要途径是采用新的刀具材料和新颖刀具，以通過提高切削速度和进给速度来缩短基本时间。缩短辅助时间主要是缩短包括工件输送、加工模块快速引进以及加工模块由快进转换为工进后至刀具切入工件所花的时间。目前，随行夹具高速输送装置常用的有电液比例阀控制的或摆线驱动的输送装置。

2.柔性化进展迅速。数控组合机床的出现，不仅完全改变了过去那种由继电器电路组成的组合机床的控制系统，而且也使组合机床机械结构乃至通用部件标准发生了或正在发生着巨大的变化。传统意义上的组合机床刚性自动线和生产线，也具有了一定的柔性。由数控加工模块组成的柔性组合机床和柔性自动线，可通过应用和改变数控程序来实现自动换刀、自动更换多轴箱和改变加工行程、工作循环、切削参数以及加工位置等，以适应变型品种的加工。

单坐标加工模块由数控滑台和主轴部件（或多轴箱，包括可换多轴箱）组成。双坐标加工模块由数控十字滑台和主轴部件组成，例如数控双坐标铣削模块。

多轴加工模块是又一种重要模块，主要用于加工箱体和盘类工件的柔性组合机床和柔性自动线。这类模块有多种不同的结构形式，但基本上可分为自动换箱式多轴加工模块、转塔式多轴加工模块和回转工作台式多轴加工模块。自动换箱式模块由于可在专门设置的多轴箱库中储存较多的多轴箱，故可用来加工较多不同品种的工件。而转塔式和回转工作台式多轴加工模块，由于在转塔头和回转工作台上允许装的多轴箱数量有限，所以这种加工模块只能实现有限品种的加工。

除上述各种 CNC 加工模块外，机器人和伺服驱动的夹具也是柔性组合机床和柔性自动线的重要部件。特别在柔性自动线上，目前已较普遍地采用龙门式空架机器人进行工件的自动上下料，用于工件的转位或翻转。为搬运不同的工件，可在自动线旁设置手爪库，以实现手爪的自动更换。夹具配备伺服驱动装置，以适应工件族内不同工件的自动夹紧。 3.加工精度日益提高。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（HSK）和过程统计质量控制（SPC）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。SPC 是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。

4.可靠性和利用率不断改善和提高。为提高加工过程的可靠性、利用率和工件的加工质量，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。

故障诊断技术中的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。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。

2 机械加工生产线的 发展 趋势

随着市场竞争的加剧和对产品需求的提高，高精度、高生产率、柔性化、多品种、短周期、数控组合机床及其自动线正在冲击着传统的组合机床生产线，因此，组合机床生产线的发展思路必须是以提高组合机床加工精度、组合机床柔性、组合机床工作可靠性和组合机床技术的成套性为主攻方向。

机床装备的高速和超高速加工技术的关键是提高机床的主轴转速和进给速度。复合、多功能、多轴化控制的前景亦被看好。在零部件一体化程度不断提高、数量减少的同时，加工的形状却日益复杂。多轴化控制的机床装备适合加工形状复杂的工件。另外，产品周期的缩短也要求加工机床能够随时调整和适应新的变化，满足各种各样产品的加工需求然而更关键的是 现代 通信技术在机床装备中的应用，信息通信技术的引进使得现代机床的自动化程度进一步提高，操作者可以通过 网络 或手机对机床的程序进行远程修改，对运转状况进行监控并积累有关数据；通过网络对远程的设备进行维修和检查、提供售后服务等。在这些方面我国就先进国家还有相当大的差距，因此我国组合机床生产线高速度、高精度、柔性化、模块化、可调可变、任意加工性以及通信技术的应用将是今后的发展方向。

从以上论述可以看出我国目前的机械加工生产线在节拍时间、柔性化进展、加工精度、综合自动化程度、可靠性和利用率等方面都有了长足的进步和发展。控制技术也由集中控制方式转向分散控制方式。未来将向高速、高精、柔性及数字方向发展。

作者简介

徐林栋（1996-），现就读于郑州大学机械工程学院。