如何正确理解与选定组合机床的柔性

　　柔性，即灵活性。时至今日，广义的讲是指生产系统或者生产企业乃至全球制造系统对变化的市场和变化的需求的应变能力，是衡量其在激烈市场竞争中的生命力 的重要指标。但是最初所谈的柔性，仅仅是指机床的柔性，即指某一机床进行变更以适应加工不同工件的能力。柔性技术的发展和柔性概念的不断变化都是由于社会对产品需求的多样 性与产品的多变性所致。对一台机床设备或一个生产系统而言，究竟如何理解与选定它的柔性，应由获得柔性的经济性所决定，也就是必须考虑使机床所作出“适应”和“改变”的得与失，不可不考虑代价而盲目追求为一切可能发生的变化作好准备。本文仅以组合机床的柔性化进展谈谈如何正确理解和选定组合机床的柔性。

　　1 组合机床柔性化的回顾

　　对组合机床及其自动线来讲，柔性化的重要目标和贡献就是通过NC和CNC由刚性自动化过 渡到柔性自动化。具体就是用数控和编程代替凸轮和挡铁，主要通过软件的改变使多品种中 小批量生产得以实现自动化以及大量生产走向柔性化。

　　各种形式的柔性组合机床

　　众所周知，传统的组合机床属刚性的专用机床，它主要由一些具有独立功能的通用部件及 少许专用部件构成的，是典型的模块化机床。通过给通用部件(或模块)赋以柔性，使其成为 柔性通用部件，用这些柔性通用部件就可构成多种形式的柔性组合机床。

　　数控转塔组合机床

　　数控转塔组合机床是由数控转塔动力头、数控滑台及其它通用部 件组成的。由于转塔动力头有单轴和多轴的，有立式、卧式、倾斜式的，故可构成多种形 式的数控转塔组合机床。通过转塔头的转位即可对同一工件进行多工序的加工，也可在不同 的工位加工不同的工件。因为工序要求的行程、进给速度及切削速度等用数控和数控编程来 实现，所以具有较高的灵活性，适用于小批量多品种或中小批量少品种乃至单品种的加工， 有较好的应用推广价值。它的缺点是，由于受转塔头结构限制，转塔头的工位数不能太多， 当加工工序较多时，就需配置多台数控转塔机床。

　　数控自动更换多轴箱组合机床

　　多轴加工是组合机床获得高生产率的主要手段。但多轴箱上主轴种类、数量及布置是按特 定被加工零件设计的，因而具有专用性，故人们提到的传统组合机床均属高效专用机床。如 何使其具有柔性又不失其高效率，除开发了前述的数控转塔组合机床外，又开发了数控更换 多轴箱组合机床。由于这种机床的多轴箱只有在机床处于加工中它才与动力箱连接构成切削 头。所以，从理论上讲，可更换的多轴箱数量是不受限制的，从而具有更大的灵活性。

　　这种机床的布局与常规的组合机床一样，可以是立式的，也可以是卧式的，多轴箱库可 以采用环状挂在动力箱上随滑台运动(从外形上看与数控转塔组合机床相同)，也可以独立设 置水平布置的多轴箱库。通过自动换箱装置实现库中多轴箱与切削头上的多轴箱的自动更换 。更换顺序以加工需要而定，挂在动力箱上的环状多轴箱库如嫌动力箱数量不够用，亦可以 再附设一个水平布置的多轴箱库，并与环状多轴箱库实现多轴箱的自动交换。这种柔性组合 机床很适合中小批量多品种或中大批量轮番生产箱体类零件采用。

　　数控换刀和换箱复合式组合机床

　　此类柔性组合机床实际是将加工中心和组合机床巧妙地结合在一起组成的，即保持了组合 机床的高效又兼备了加工中心的高柔性。换刀主要是为较大直径单轴孔的半精镗和精镗。对 于批量较小、品种较多、又要做到按定单生产的企业用来加工同族中大型箱体类零件是很适 用的。既可减少设备投资又可提高设备利用率，具有较好的灵活性和经济性。

　　三坐标加工模块和三坐标加工单元

　　对柔性生产线来讲，柔性包括两个含义：一是加工族系零件的灵活性，即实现同类同族系 零件的多品种加工；二是加工过程的灵活性，即某工位出现故障时，用另外工位执行需要工 序的能力，也就是常谈的“互替”功能。这一方面可通过重新设计组合机床使它具备柔性来 实现，另一方面可设计一种多轴加工模块，来填补加工中心和组合机床之间的空缺，三坐标 加工模块就是在这种设想中研制出来的。

　　带换刀装置的三坐标加工模块，其加工主轴可实现X、Y、Z三个坐标轴的运动，刀具 亦可 自动更换，对加工族系零件有较大的灵活性。它一出现就受到用户的极大欢迎。这种加工模 块配以固定工作台可组成三坐标加工单元，配以回转工作台或回转夹具亦可组成四轴、五轴 加工单元。既可独立使用又可纳入组合机床自动线，成为柔性自动线(FTL)，是一种非常有 前途的柔性加工设备。

　　组合机床柔性化的新发展--大量生产的柔性化

　　在努力实现中小批量多品种生产柔性化的同时，国外一些大组合机床制造厂家正在奋力追 求大量生产的柔性化。值得指出的是，大量生产走向柔性化并不意味着传统的组合机床自动 线就要淘汰，相反很有可能在逐渐形成全球制造系统的过程中，由于它在大量生产中拥有可 获得低成本这一独特的优点而更具生命力。当然，作为机械制造厂都希望得到既有高效率又 有高柔性的机床，从而获得更高的价值和寿命，这也就给大量生产用的柔性组合机床及其自 动线开辟了市场。机床制造厂为了满足用户的这一要求，也致力于研究开发使大量生产实现 柔性化的高效高柔性机床。

　　高效加工中心

　　大量生产中，传统的做法是广泛采用多轴镗削组合机床加工诸如多种发动机气缸体缸孔等 精密孔，从而获得短节拍，达到高生产率。但由于它的“刚性”结构，难于适用多品种加工 和产品的变化，于是有的机床制造厂研制生产出高速单轴加工中心，虽顺序地对多孔一个一 个进行镗削，但其总的加工时间不超过多轴镗削组合机床的节拍，这样既满足了大量生产的 生产率要求，也实现了彻底的柔性化。但必须注意到同多轴镗削组合机床相比，高速加工中 心采用了大量的高新技术，如高速主轴、直线电机高速进给部件以及相关的冷却润滑、温升 控制、隔磁防磁等难度较大的新技术，同时控制系统比较复杂，机床成本较高。追求所谓的 全面或彻底柔性，必须要冒较大的技术风险。

　　柔性自动线(FTL)

　　在大量生产用的组合机床自动线上，并排设置带有专用工位的三坐标(或四坐标)加工模块 ，使自动线获得了柔性，在大量生产中越来越受到欢迎。由于三坐标加工模块和其它柔性组 合 机床纳入自动线，不仅有可能实现同时加工几种族系零件，如V6、V8和V10发动机缸体等， 而且当被加工零件较小改变时，稍加调整即可适应加工新零件的要求，当自动线某工位发生 故障时，其它工位可代替故障工位完成所需的工序加工。传统的专用自动线是不可能的，传 统刚性自动线的某工位发生故障就导致全线停机，尤其是为适应一个新产品加工所需的改装 ，既费时又费钱(据文献记载要耗时一年，耗资为原始投资的80%以上)。

　　这种柔性自动线是在组合机床自动线基础上发展起来，由于三坐标加工模块在技术上已经 成熟，和组合机床一样采用了模块化结构，所以纳入组合机床自动线后并不增加复杂性，实 际上柔性自动线是以传统的组合机床自动线与三坐标加工模块结合起来，从而以合理的费用 得到最好的柔性，并把选择更换刀具的昂贵费用减到最少。当加工品种改变时，可增减工位 ，这种顺序加工的灵活制造系统适用于年生产纲领在25万～100万件之间的大批量生产方式 。

　　CNC回转式组合机床(或称CNC回转式加工单元)

　　过去，传统的回转工作台式组合机床多用来加工非箱体类杂件，实际上它也适用于加工各 种 复杂、有一定精度和产量的箱体类零件，但一般只加工一个品种的零件，更换加工品种非常 麻烦，效率高但缺少柔性。最近几年，出现了既具高效率又具有柔性的CNC回转式组合机床 新品种，其结构形式基本上有两种，一种是回转工作台周围的切削部件全部是CNC三坐标加 工模块，一种是回转工作台周围的切削部件全都是带有多刀转塔刀架的CNC三坐标加工模块 。与传统回转工作台不同的是增加了工作台上夹具的柔性，不需重新装夹即可对箱体实现五 面加工。

　　第一种回转式加工单元中的CNC三坐标加工模块，视加工刀具数量的不同，可以 带有4～8刀位的冠式转塔刀架，也可以带一个几十把刀的刀库，这样既保留了回转工作台式 组合机床可同时加工多个工件的特点，又大大增加了柔性。

　　第二种回转式加工单元中所采用的切削部件是四轴CNC加工模块，主轴除了可完成X、Y 、Z三个坐标运动外，主轴上装有转塔刀架，根据需要更换转塔刀架。工作台上可以安装 可回转 360°的转位夹具，可对箱体零件实现五面加工。这种CNC回转式组合机床把CNC的柔性和专 用机床的生产率较好地结合了起来。

　　CNC环形自动线

　　上述二种回转式加工单元其结构 是直接由传统的回转工作台式组合机床为实现其柔性而发展起来的。在此基础上又发展了一 种新的结构形式。其特点是夹具不是固定在工作台面上，而是由转盘传送到加工工位上以后 由中央转盘定位装置精密定位在转盘支座上，此时夹具实际上变为随行夹具。当加工箱体类 精密复杂零件时，某工位重切削引起的振动不会影响其它工位，从而提高了加工精度和工作 可靠性。现已开发出10工位的CNC环形自动线。

　　所有适用于大量生产的柔性化设备，均有一个共同的特点，这就是所采用的三轴或四轴CN C加工模块均具有高的切削速度、进给速度、加减速度以及短的换刀时间和转位时间。由于 是以较昂贵的费用换取较高的柔性，所以在选用时必须从技术和经济上进行可行性分析。

　　2　可调可变组合机床

　　上面对柔性组合机床的发展及大量生产走向柔性化这样一个动向作了简要介绍，但 笔者认为，在世界上主要组合机床制造厂家争先推出柔性组合机床新品种的同时，也不要忽 视提高组合机床的可调可变性。

　　所谓组合机床的可调可变性具体是指组合机床结构和工艺的可调可变性。它主要是通过非 数字控制和由人工更换主轴箱、刀具及夹具来实现机床对多种零件的加工。可调可变性可以 说是低级的或非自动实现的灵活性，正像在数控机床十分普及的今天，普通金切机床仍有它 的应用领域一样，它也有它的应用领域，对多品种批量生产，批量的总和又较小，品种更换 的速度又不是太快，在生产率允许的情况下，选用可调可变组合机床会收到更好的经济效益 。鉴于我国目前的经济水平和制造业水平的现状，可调可变组合机床在我国的应用仍需要给 予足够的重视。

　　组合机床结构是模块化结构，不同的模块可以构成不同功能和性能的机床，改进某一模块 即可使机床水平上一个新台阶，更新一个模块就能形成一个新品种。基于这一结构原理就产生了各种形式的可调可变组合机床。

　　移位多轴箱组合机床　多轴箱在动力箱上可上下左右移动，也可在动力箱上安装回转 多轴箱，用来完成不同工序或加工不同零件，其移位和回转是在多轴箱退回原位后自动完成 的，其生产率不低于普通组合机床。

　　更换多轴箱组合机床　多轴箱可挂在动力箱周围(一般多见于立式组合机床)，也可放 置在机床旁边，根据加工需要进行更换，可自动更换，也可手动更换。

　　转塔组合机床　多个主轴箱同时固定在动力箱上(一般多见于卧式组合机床)根据加工 需要转位用来完成不同加工工序或加工不同的零件。灵活性不及数控转塔组合机床，但成本低。

　　这类机床当加工不同零件(同族)时，可通过更换夹具或更换夹具上的部分零件来实现。

　　可调可变组合机床是在传统的组合机床基础上发展起来的，结构成熟，更无技术风险 ，如果能不断缩短更换部件的时间，仍可保持较高的生产率，具有较好的应用前景。

　　3 结束语

　　如何选定组合机床的柔性和可调可变性，要根据生产 批量、品种数量、产品更新速度、技术上和经济上的合理性等诸多因素来决定，但重要的是 要能做到交货期短且及时，用户对产品质量满意及合理的费用，不论机床制造厂还是用户都 应充分考虑为了对变化的市场做到“适应”的得与失，先进、经济、实用才是符合当今市场 需求的产品。

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